萨尔兰大学的研究团队正在开发一种超薄硅胶聚合物薄膜，使泵在运行时无需电机、压缩空气、润滑剂以及外部传感器。这类基于薄膜的泵可以按需启停，并能嵌入此前被认为无法实现的紧凑设计中。

无论是制造业、汽车工程，还是实验室与科研场景，只要涉及真空需求，这项技术都为轻量化、扁平化且节能的泵结构提供了新的解决方案。

萨尔兰大学智能材料系统教授 Paul Motzki 及其团队，将在 4 月 20 日至 24 日举行的汉诺威工业博览会上展示一款新型真空泵原型（11 号馆 D41 展位）。

研究人员在聚合物薄膜上施加电压后，薄膜会立即产生运动。这种超薄膜厚度约为 50 微米，大致相当于一根人类头发的直径。

通过调节施加电压，团队可以让薄膜产生强烈的脉冲运动，以特定频率或振幅振动，平滑地上下起伏，或保持在某一固定位置。表面上看像是一个有趣的演示，实际上却构成了新一代微型执行器的基础。

由于薄膜运动可被精确控制，它能够在局部产生推拉力，完成原本需要电机或压缩空气系统才能实现的机械动作——而传统系统往往占用空间、能耗较高且维护复杂。萨尔布吕肯团队正将这些“智能薄膜”集成到真空泵中，用于抽取腔体内的空气或液体。

真空泵在工业中应用极为广泛，从包装机械、机器人夹具到医疗技术，都离不开这类设备。

无需压缩空气和电机的真空方案

萨尔布吕肯团队开发的薄膜技术，省去了笨重的机械部件，使泵可以设计得更加轻便和紧凑。

Motzki 介绍说：“利用介电弹性体——也就是这些对电场有响应的聚合物薄膜——我们可以根据具体需求来定制泵的几何形状。这意味着可以制造出传统技术难以实现的结构。例如，我们可以做得非常薄、非常扁平，形态类似智能手机。”

他不仅是萨尔兰大学智能材料系统教授，同时也是萨尔布吕肯机电与自动化技术中心（ZeMA）的科学主任和首席执行官。

基于薄膜的泵可以在空间受限且对环境敏感的场合可靠工作。介电弹性体技术的一大优势是无需使用铜或稀土等昂贵或稀缺材料。由于不需要润滑油，它也非常适合洁净室和无菌环境。

“根据不同的工作模式，我们的膜泵也可以做到非常节能。”Motzki 补充说。此外，泵在运行时噪声极低，有望显著降低生产车间和装配线的背景噪音。

薄膜执行器越多，输出性能越高

在今年的汉诺威工业博览会上，Motzki 团队展示了一个新原型，用以说明这项技术的可扩展性。

最新的真空泵原型采用双驱动结构。去年团队展示的是单个薄膜驱动、单泵腔的设计；今年则带来了配备两个薄膜执行器、两个泵腔的双驱动版本。

“我们可以将两个执行器并联或串联，以提升压力、体积流量以及整体输出功率。”Motzki 解释道。

这两个薄膜驱动器可以反相工作：一侧处于吸气状态，另一侧处于排气状态。这样可以避免性能下降，使泵能够快速、连续地产生真空，而无需间歇循环。

新的双执行器设计带来了明显的性能提升。此前的单腔泵可达到约 300 毫巴的绝对压力，而新系统则可以将压力降至 200 毫巴绝对压力以下。“我们还可以根据具体应用需求，将更多薄膜执行器串联或并联，以进一步定制和提升性能。”Motzki 说。

向工业应用进一步迈进

“这代新泵是我们向实际工业应用迈出的又一步。”Motzki 表示。他和团队多年来在多个研究项目中持续推进介电弹性体技术的发展。

介电弹性体是一种薄聚合物薄膜，其两面覆盖有高度柔性的导电层。当研究人员在弹性聚合物薄膜上施加电压时，两侧导电层会相互吸引，从而压缩薄膜厚度，使其在平面方向上扩展、表面积增大。

“通过调节电场，我们可以非常精确地控制弹性体薄膜的运动——让它做连续可变的弯曲运动，或者以设定的频率和振幅进行脉冲或弯曲。”Motzki 解释说。也可以让薄膜保持在某一位置而无需持续供电，因为介电弹性体只在主动运动时消耗能量。

萨尔布吕肯的研究人员将这种薄膜用作机械驱动，相当于一种无需额外传感器的微型电机。

“这些薄膜本身就具备自感知能力。”Motzki 指出。这种自感知是介电弹性体的固有特性：即便是极其微小的形变，也会改变薄膜的电容值。

每一次薄膜变形都会产生特征性的测量信号，工程师可以据此精确推断薄膜在任意时刻的空间形态。

通过将电容数据与基于人工智能的机器学习方法结合，团队开发出一套控制单元，能够预测并编程运动序列，从而精确控制弹性体薄膜的变形。同样的数据也可用于状态监测，例如判断泵内是否有异物堵塞，或当前真空度是否尚未达到安全阈值。

除了无电机真空泵，Motzki 团队还将这项技术拓展到机器人夹持器、扬声器、智能纺织品以及智能手机显示屏的触觉反馈系统等多个领域。例如，他们开发了一款智能工业手套，可以对操作人员手部和手指的动作做出响应，并将相关信息传输给计算机。

在汉诺威工业博览会上，研究团队正在寻找合作伙伴，共同推进基于薄膜的泵技术在工业中的具体应用和市场化落地。