聽說過超聲波電機嗎？這是一種在高精尖領域應用的新型電動機，也在逐漸進入民用領域。中國科學家趙淳生院士，兩次癌症、三次手術，帶病奮鬥，只為打造一個屬於中國的超聲電機產業。今天我就帶着大家了解一下這種新型電機。這也是一個粉絲給我布置的任務，由於我本人工作太忙，創作頻率比較低，所以答應網友講得很多東西，還沒有落實，請見諒。我是東城觀星，一名普通的大學老師，你感興趣的科技進展和科學知識，可以找我來講。
一、什麼是超聲波電機？
所謂超聲波電機，並不是通過空氣中超聲波推動的電機，而是先把電能變成高頻機械震動，然後通過高頻震動和摩擦來帶動做功的電動機。這裡的高頻震動，剛好在超聲波的頻率範圍內，所以也叫超聲波電機。因為這種震動產生的聲音是超聲波，人類的耳朵聽不見，所以這類電動機屬於靜音電動機，可以應用到特別安靜的場所。又由於不需要線圈和磁鐵，也不需要氣體膨脹來進行推動，這類電動機可以做到非常小，小到1毫米左右的尺寸都可以，能夠應用到很多需要微型電動機的場合。
其實超聲電機的實際工作原理還是很複雜的，需要精心設計才能真正把電能變成機械能，但是我們這裡做一下簡化理解，希望對大家有幫助。超聲電機，利用震動波和摩擦力帶動轉子運動，從而可以對外做功。你可以近似理解成海浪推動小船的過程，只要利用好海浪，本身無法自由移動的小船就可以被推到岸邊。海浪就是行動的水波，超聲電機利用的也是行動的振動波。
超聲電機的核心部件是壓電陶瓷，或者叫壓電材料。這種材料接上電線以後，你壓一下它，就可以產生電流，這就叫壓電效應。反過來，如果給它施加一個電壓，它也可以發生形變，這個叫做逆壓電效應。超聲電機利用的就是逆壓電效應。
如果給壓電材料提供一個交流電，這個壓電材料就會隨着電壓的變化而震動，交流電頻率越高，震動越快，為了達到超聲頻率的震動，需要提供2萬赫茲到10萬赫茲的交流電，而不是我們家庭使用的50赫茲的交流電。為了讓壓電材料有效震動，對交流電的電壓也有一定的要求，一般得達到幾百伏特到上千伏特。有了合適的電源和壓電材料，還要在壓電材料上面放上彈性的震動片作為定子，然後再在彈性片上布置摩擦係數高，又耐磨的材料，以便能通過摩擦力帶動轉子運動。所以，這樣的電動機，設計和生產並不簡單。
二、超聲波電機的應用
超聲電機最早是1948年提出來的，但直到1982年，日本科研人員才解決了實際應用問題，隨後超聲電機在日本產業界廣泛應用。比如我們熟悉的佳能相機，就應用超聲電機來控制調焦系統。超聲電機容易做到小型化、工作響應快、噪音低，斷電以後還可以自動鎖死不會隨意運動，成為一種獨特的電動機應用到很多場合。美國最早把這種電機應用到了航天領域，並把攜帶超聲電機的設備送到了火星上。
中國雖然開展超聲電機研究比較晚，但隨着不斷投入研究力量，跟發達國家的差距越來越小。中國有個科學家叫趙淳生，在了解到超聲電機的優勢以後，開始從事相關研究工作。趙院士帶領自己的科研團隊攻克了一個又一個難關，短短几年的時間就研發出了一系列成熟的超聲電機，並把超聲電機安裝到了嫦娥三號上面，成為世界上第二個把超聲電機應用到太空的國家。後來的嫦娥四號、嫦娥五號、祝融號火星車都用到了自己國家生產的超聲電機。目前正在從航天領域向民用領域轉型推廣。
在航天領域，超聲電機具有很大的應用前景，比如各種類型的機械臂、航天器對接裝置、太空垃圾收集系統、火箭內部控制裝置、星球車控制裝置、微型衛星控制等領域都可以用上它。除了航天以外，微型機械領域、需要高精度的芯片生產領域、需要靜音環境的場所、以及醫療器械領域也都可以大量應用超聲電機。
特別值得一提的是，核磁共振設備本身具有極強的磁場，對普通的電磁電動機有很強的干擾性，需要特殊防護，而超聲電機不受電磁干擾，在強磁場下依然可以正常工作，是非常好的核磁共振驅動電機。另外由於超聲電機可以做到體積小、質量輕，可以在內窺鏡領域大量應用，既有可以實現直線運動的直線超聲電機，也有可以實現旋轉的超聲電機，而且都能做到微型化。可以想像的將來，微創機械人手術，很有可能也會大量應用這類電動機。據說目前正在研究可以自動調焦的眼鏡，以後戴眼鏡就更方便了，看不清楚了自己可以調節眼鏡度數。
三、超聲電機的缺點
超聲電機在各領域的應用肯定會越來越多，在電機領域佔據自己的一席之地。但是，超聲電機也有自己的缺點，這裡簡單說一下。
首先，這種電機的壽命比較短，因為超聲電機是通過摩擦來帶動的。大家應該都有經驗，靠摩擦的東西，壽命都不會太長。輪胎也好、鞋底也罷，時間一長就開始打滑了。超聲電機自然也會慢慢打滑的，需要研發特殊的耐磨材料，適當延長壽命。
其次，超聲電機工作的影響因素太多，對它的性能產生難以估測的影響。比如溫度，只要超聲電機開始工作，就會產生熱量改變溫度，而溫度的改變會影響很多參數，從而讓超聲電機的性能參數不斷發生變化。再比如，從電能轉換為最終的機械能中間有好幾次能量傳遞，這中間的參數變化非常複雜，對於電動機的精準調控帶來很大難度。
此外，其他部件的材料性能，也給超聲電機的研發和控制帶來很大的難度，換句話說，要想讓超聲電機足夠成熟，還需要很長時間的磨合才行。只有不斷大量應用，才能不斷發現問題解決問題，最終完善這種發動機。
當年日本在這方面很厲害，是因為日本最早實現了超聲電機產業化。但是隨着日本經濟的低迷，以及日本各種產業逐漸跟市場脫節，不斷被邊緣化，日本在超聲電機領域的優勢必將被超越。只有充足的市場才能養活先進的技術，沒有市場打底，技術也會發展停滯。
所以，未來誰能在超聲電機領域佔據主動權，就看誰能給超聲電機提供足夠大的市場了，更準確地說應該是誰能佔據足夠大的市場。
好了就說這麼多吧，大家有什麼想說的，咱們評論區聊一下。我是東城觀星，感謝大家的訂閱與關注。
