CN103818517B - 基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮 - Google Patents

基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工程仿生技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撑座、硬化导电层、柔性树脂层、柔性导电层、光滑橡胶层和人工肌肉伸缩单元，其中人工肌肉伸缩单元包括形状记忆合金人工肌肉簧、牵拉头、两段式电加热棒和连接导线。与现有技术相比，本发明以形状记忆合金人工肌肉模仿海豚皮肤结构中的弹性乳突，利用其独特的材质特性即受自身转变温度驱使所呈现出的双程记忆效应来实现仿生海豚皮的凸包型或凹坑型形变，其弹性工作机制更为灵敏、可控，在结构和功能仿生方面为工程仿生技术特别是仿生减阻表皮制造技术的发展提供了有益范例。

Description

基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮
技术领域
本发明涉及一种仿生海豚皮，更特别地说，是指一种基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，属于工程仿生技术领域。
背景技术
有效降低航行器的表面阻力以提高速度、机动性、续航力以及燃料利用效率，对于国民经济和国防安全具有重要意义。海豚、鲨鱼、金枪鱼等高游速水下生物无疑为人类提供了极为宝贵的工程仿生范本，有针对性地研发低阻、高效的仿生减阻表皮成为当前的研究热点和难点。
海豚是海洋中的游泳冠军，时速可达70～100千米。早在1936年，英国科学家Gray就发现海豚的游速已远远超出其肌肉力量的限度，进而提出著名的“格雷悖论”。研究发现，海豚之所以游得快，除了具有流线型身体外，更重要的是它特殊的弹性皮肤结构能产生类似消振器一样的“自适应表面”。海豚的皮肤分为三层，最外面的表皮层是薄而光滑的角质膜，中间是真皮层，分布着许多富有弹性的管状乳突，乳突里充满海绵状物质，乳突间是血液或体液，最里层是稠密的胶原纤维和弹性纤维，其间充满了脂肪。当海豚快速游动时，随着水阻力的增加，真皮层的微小乳突能承受很大的压力，且其形状和弹性可使海豚皮肤由光滑态逐渐起伏为一定的非光滑态，可以改变层流附面层的边界条件，使边界柔顺化，减小边界面的流速梯度和剪切力，防止或减缓湍流的产生，从而降低游动阻力。科学家目前仿制出的“人造海豚皮”由三层橡胶组成，总厚度2.5mm，其中模仿海豚表皮层的平滑外层厚0.5mm，中层有橡胶乳头以模仿海豚的真皮层，其间充满了粘滞性液态硅树脂，下层是厚0.5mm与船体接触的支持板。减阻试验结果表明，它可以使鱼雷和潜艇在海水中的运动阻力减少50%。但这类人造海豚皮在对海豚皮生物原型特殊、复杂结构的模仿上仍处较低水平，尤其是在对海豚乳突动态变形结构的模仿上仅是用简单的橡胶乳头来替代，在结构和功能仿生方面显然仍有较大的提升空间。
人工肌肉是近几十年问世的一种新型智能材料，它能够在外加电场、环境温度或酸碱度的作用下，通过材料内部结构的改变而伸缩并产生力的作用，具有和生物肌肉十分相似的机能。目前已研发出的人造肌肉材料涉及聚合物、金属、凝胶以及碳纳米管等，其中形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMA）是当前应用较为普遍的人工肌肉材料之一。SMA是一种能够记忆原有形状的智能材料，当温度低于其转变温度时将其人为变形，则当温度高于其转变温度时其可自动恢复到变形前形状，且具有双程记忆效应的SMA可在重新冷却至转变温度以下时又能回复到其低温相形状。形状记忆合金人工肌肉充分利用了SMA这种独特的双程形状记忆效应，利用外来热源控制其温度在转变温度上下转换，从而使其不断在低温相与高温相之间往复变形，进而展现出类似肌肉伸缩的较大力量，从而实现某种力的功能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撑座、硬化导电层、柔性树脂层、柔性导电层、光滑橡胶层、人工肌肉伸缩单元，所述支撑座用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层的下表面与支撑座上表面相固定，其上表面与柔性树脂层的下表面相胶合，所述柔性树脂层上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室，所述柔性导电层的下表面与柔性树脂层的上表面相胶合，其上表面与光滑橡胶层的下表面相胶合，若干数量的人工肌肉伸缩单元对应穿过柔性树脂层上的伸缩室呈阵列化竖直排布于硬化导电层和柔性导电层之间，所述人工肌肉伸缩单元包括形状记忆合金人工肌肉簧、牵拉头、两段式电加热棒和连接导线，形状记忆合金人工肌肉簧的一端在保持与硬化导电层绝缘的同时与支撑座固定连接，另一端在与柔性导电层绝缘的同时与牵拉头固定连接，借由可伸缩连接导线串联起来的两段式电加热棒中的一段与硬化导电层做导电连接，另一段与柔性导电层做导电连接，牵拉头的底面与柔性导电层的上表面相胶合，牵拉头的其余面与光滑橡胶层下表面所开设的若干牵拉孔相对应固定连接。
所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，自然状态下柔性树脂层的厚度是3.0mm～5.0mm，光滑橡胶层的厚度是1.5mm～2.0mm。
所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，阵列化排布的人工肌肉伸缩单元之间的间距是15.0mm～20.0mm。
所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形状记忆合金人工肌肉簧所用的形状记忆合金是具有双程记忆效应的镍钛系合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金，其转变温度范围为45℃～95℃。
所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形状记忆合金人工肌肉簧时，先在温度高于其转变温度时加工成高度为3.0mm～5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状，再在温度低于转变温度时将其人为变形成高度为1.5mm～2.5mm的短粗型压缩弹簧形状，则实际应用过程中仿生海豚皮将呈现凸包型变形。
所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形状记忆合金人工肌肉簧时，先在温度高于其转变温度时加工成高度为1.5mm～2.5mm的短粗型压缩弹簧形状，再在温度低于转变温度时将其人为变形成高度为3.0mm～5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状，则实际应用过程中仿生海豚皮将呈现凹坑型变形。
所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，牵拉头的形状是圆柱形、锥台形、球形，牵拉头水平方向上的直径尺寸是1.0mm～1.2mm。
本发明的工作原理为：在环境温度低于所用形状记忆合金转变温度的工况下，将该仿生海豚皮安装于水下航行器载体外壳壁面，在载体航行过程中通过采集水温、航行速度、水密度、动力粘度等参数计算当前工况下的雷诺数以判断水流状态；当水流达到湍流时，给硬化导电层和柔性导电层通电以加热两段式电加热棒，使得形状记忆合金人工肌肉簧快速升温至其转变温度以上，进而形状记忆合金人工肌肉簧基于自身材质特性将自行在柔性树脂层伸缩室内开始变形，且该形变将以形状记忆合金人工肌肉簧在低于其转变温度下所呈现的弹簧形态为依据，或由短粗型变为瘦长型，或由瘦长型变为短粗型；形状记忆合金人工肌肉簧的上述形变将带动人工肌肉伸缩单元的牵拉头牵拉其附近的光滑橡胶层，使得每个人工肌肉伸缩单元附近的光滑橡胶层、柔性导电层和柔性树脂层依次产生弹性变形，最终在每个人工肌肉伸缩单元上方的光滑橡胶层上形成凸包型或凹坑型非光滑表面；在此情形下，仿生海豚皮的光滑橡胶层、柔性树脂层以及若干人工肌肉伸缩单元分别模仿了真实海豚皮的非光滑态表皮层、柔性真皮层以及真皮层内的弹性乳突，三者的共同作用将减小边界面的流速梯度和剪切力，有效减缓湍流的危害，从而大大降低载体航行器的航行阻力；当不需要仿生海豚皮发挥减阻作用时，则停止供电以使形状记忆合金人工肌肉簧逐渐降温至环境温度（该环境温度必然低于转变温度），则形状记忆合金人工肌肉簧在双程记忆效应驱使下自动恢复至其低温相形态，带动仿生海豚皮亦恢复原状，从而完成整个减阻作业。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：（1）本发明以形状记忆合金人工肌肉模仿海豚皮肤结构中的弹性乳突，利用其独特的材质特性即受自身转变温度驱使所呈现出的双程记忆效应来实现仿生海豚皮的凸包型或凹坑型形变，其弹性工作机制更为灵敏、可控；（2）本发明采用的压缩弹簧型形状记忆合金人工肌肉簧设计，在一定程度上较其他形状更能消抵日常应用过程中外力对仿生海豚皮的触碰和挤压，从而起到有效的自我防护作用；（3）本发明以柔性树脂层模仿海豚皮肤结构中的真皮层，不仅在工作机制上较其他材料更为形象、逼真，而且在使用寿命上比其他材料更为耐久、可靠；（4）本发明基于形状记忆合金人工肌肉所制作出的仿生海豚皮，在结构和功能仿生方面为工程仿生技术特别是仿生减阻表皮制造技术的发展提供了有益范例。
附图说明
图1为本发明的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮外观结构图。
图2为本发明的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮内部结构分层解剖图。
图3为本发明的人工肌肉伸缩单元结构示意图。
图4为本发明的柔性树脂层结构示意图。
图5为本发明的光滑橡胶层仰视结构示意图。
图6A为本发明的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮凸包型变形示意图。
图6B为本发明的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮凹坑型变形示意图。
图中：1、支撑座2、硬化导电层3、柔性树脂层4、柔性导电层5、光滑橡胶层6、人工肌肉伸缩单元7、形状记忆合金人工肌肉簧8、连接导线9、牵拉头10、两段式电加热棒11、伸缩室12、牵拉孔13、微凸包14、微凹坑。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
参照图1～图5，基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撑座1、硬化导电层2、柔性树脂层3、柔性导电层4、光滑橡胶层5、人工肌肉伸缩单元6；支撑座1用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面，硬化导电层2的下表面与支撑座1上表面相固定，其上表面与柔性树脂层3的下表面相胶合，柔性树脂层3自然状态下的厚度为5.0mm，其上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室11，所述柔性导电层4的下表面与柔性树脂层3的上表面相胶合，其上表面与厚度为2.0mm的光滑橡胶层5的下表面相胶合；若干数量的人工肌肉伸缩单元6对应穿过柔性树脂层3上的伸缩室11呈阵列化竖直排布于硬化导电层2和柔性导电层4之间，且阵列化排布的人工肌肉伸缩单元6之间的间距是20.0mm；人工肌肉伸缩单元6包括形状记忆合金人工肌肉簧7、牵拉头9、两段式电加热棒10和连接导线8，形状记忆合金人工肌肉簧7的一端在保持与硬化导电层2绝缘的同时与支撑座1固定连接，另一端在与柔性导电层4绝缘的同时与直径为1.0mm的圆柱形牵拉头9固定连接，借由可伸缩连接导线8串联起来的两段式电加热棒10中的一段与硬化导电层2做导电连接，另一段与柔性导电层4做导电连接，牵拉头9的底面与柔性导电层4的上表面相胶合，牵拉头9的其余面与光滑橡胶层5下表面所开设的若干牵拉孔12相对应固定连接。
具体实施例一：参照图1、图2和图6A，制作形状记忆合金人工肌肉簧7所用的形状记忆合金是具有双程记忆效应的镍钛系合金，其转变温度为55℃。在制作形状记忆合金人工肌肉簧7时，先在温度高于55℃时加工成高度为5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状，再在温度低于55℃时将其人为变形成高度为2.5mm的短粗型压缩弹簧形状。
拟将该仿生海豚皮应用于常年在近海活动的某型摩托艇上（艇长3.2m），仿生海豚皮的铺设长度为2.0m。首先，按照该型摩托艇通常工作环境（海水水温20℃，密度为1.025×103kg/m3、动力粘度为1.002×10-3kg/m·s）下的设计最低巡航速度7m/s计算该工况下仿生海豚皮的雷诺数：
显然，Re﹥﹥0.7×106，此时水流已达湍流状态。于是开始给硬化导电层2和柔性导电层4通电以加热两段式电加热棒10，使得形状记忆合金人工肌肉簧7快速升温至55℃以上，进而形状记忆合金人工肌肉簧7基于自身材质特性将自行在柔性树脂层3伸缩室11内开始变形，由高度为2.5mm的短粗型压缩弹簧变形成高度为5.0mm的瘦长型压缩弹簧；形状记忆合金人工肌肉簧7的上述形变将带动人工肌肉伸缩单元6的牵拉头9牵拉其附近的光滑橡胶层5，使得每个人工肌肉伸缩单元6附近的光滑橡胶层5、柔性导电层4和柔性树脂层3依次产生弹性变形，最终在每个人工肌肉伸缩单元6上方的光滑橡胶层5上形成布满微凸包13的凸包型非光滑表面；在此情形下，仿生海豚皮的光滑橡胶层5、柔性树脂层3以及若干人工肌肉伸缩单元6分别模仿了真实海豚皮的非光滑态表皮层、柔性真皮层以及真皮层内的弹性乳突，三者的共同作用将减小边界面的流速梯度和剪切力，有效减缓湍流的危害，从而大大降低摩托艇的航行阻力；当不需要仿生海豚皮发挥减阻作用时，则停止供电以使形状记忆合金人工肌肉簧7逐渐降温至环境温度20℃，则形状记忆合金人工肌肉簧7在双程记忆效应驱使下自动恢复至高度为2.5mm的短粗型压缩弹簧形状，带动仿生海豚皮亦恢复原状，从而完成整个减阻作业。
具体实施例二：参照图1、图2和图6B，若制作形状记忆合金人工肌肉簧7所用的形状记忆合金是具有双程记忆效应的镍钛系合金，其转变温度为55℃。在制作形状记忆合金人工肌肉簧7时，先在温度高于55℃时加工成高度为2.5mm的短粗型压缩弹簧形状，再在温度低于55℃时将其人为变形成高度为5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状。
同样将该仿生海豚皮应用于常年在近海活动的某型摩托艇上（艇长3.2m），仿生海豚皮的铺设长度为2.0m。首先，按照该型摩托艇通常工作环境（海水水温20℃，密度为1.025×103kg/m3、动力粘度为1.002×10-3kg/m·s）下的设计最低巡航速度7m/s计算该工况下仿生海豚皮的雷诺数：
显然，Re﹥﹥0.7×106，此时水流已达湍流状态。于是开始给硬化导电层2和柔性导电层4通电以加热两段式电加热棒10，使得形状记忆合金人工肌肉簧7快速升温至55℃以上，进而形状记忆合金人工肌肉簧7基于自身材质特性将自行在柔性树脂层3伸缩室11内开始变形，由高度为5.0mm的瘦长型压缩弹簧变形成高度为2.5mm的短粗型压缩弹簧；形状记忆合金人工肌肉簧7的上述形变将带动人工肌肉伸缩单元6的牵拉头9牵拉其附近的光滑橡胶层5，使得每个人工肌肉伸缩单元6附近的光滑橡胶层5、柔性导电层4和柔性树脂层3依次产生弹性变形，最终在每个人工肌肉伸缩单元6上方的光滑橡胶层5上形成布满微凹坑14的凹坑型非光滑表面；在此情形下，仿生海豚皮的光滑橡胶层5、柔性树脂层3以及若干人工肌肉伸缩单元6分别模仿了真实海豚皮的非光滑态表皮层、柔性真皮层以及真皮层内的弹性乳突，三者的共同作用将减小边界面的流速梯度和剪切力，有效减缓湍流的危害，从而大大降低摩托艇的航行阻力；当不需要仿生海豚皮发挥减阻作用时，则停止供电以使形状记忆合金人工肌肉簧7逐渐降温至环境温度20℃，则形状记忆合金人工肌肉簧7在双程记忆效应驱使下自动恢复至高度为5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状，带动仿生海豚皮亦恢复原状，从而完成整个减阻作业。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以显示和描述本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，所属领域的普通技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撑座(1)、硬化导电层(2)、柔性树脂层(3)、柔性导电层(4)、光滑橡胶层(5)、人工肌肉伸缩单元(6)，所述支撑座(1)用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层(2)的下表面与支撑座(1)上表面相固定，其上表面与柔性树脂层(3)的下表面相胶合，所述柔性树脂层(3)上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室(11)，所述柔性导电层(4)的下表面与柔性树脂层(3)的上表面相胶合，其上表面与光滑橡胶层(5)的下表面相胶合，若干数量的人工肌肉伸缩单元(6)对应穿过柔性树脂层(3)上的伸缩室(11)呈阵列化竖直排布于硬化导电层(2)和柔性导电层(4)之间，所述人工肌肉伸缩单元(6)包括形状记忆合金人工肌肉簧(7)、牵拉头(9)、两段式电加热棒(10)和连接导线(8)，形状记忆合金人工肌肉簧(7)的一端在保持与硬化导电层(2)绝缘的同时与支撑座(1)固定连接，另一端在与柔性导电层(4)绝缘的同时与牵拉头(9)固定连接，借由可伸缩连接导线(8)串联起来的两段式电加热棒(10)中的一段与硬化导电层(2)做导电连接，另一段与柔性导电层(4)做导电连接，牵拉头(9)的底面与柔性导电层(4)的上表面相胶合，牵拉头(9)的其余面与光滑橡胶层(5)下表面所开设的若干牵拉孔(12)相对应固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于：自然状态下柔性树脂层(3)的厚度是3.0mm～5.0mm，光滑橡胶层(5)的厚度是1.5mm～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于：阵列化排布的人工肌肉伸缩单元(6)之间的间距是15.0mm～20.0mm。
4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于：制作形状记忆合金人工肌肉簧(7)所用的形状记忆合金是具有双程记忆效应的镍钛系合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金的一种，其转变温度范围为45℃～95℃。
5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于：制作形状记忆合金人工肌肉簧(7)时，先在温度高于其转变温度时加工成高度为3.0mm～5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状，再在温度低于转变温度时将其人为变形成高度为1.5mm～2.5mm的短粗型压缩弹簧形状，则实际应用过程中仿生海豚皮将呈现凸包型变形。
6.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于：制作形状记忆合金人工肌肉簧(7)时，先在温度高于其转变温度时加工成高度为1.5mm～2.5mm的短粗型压缩弹簧形状，再在温度低于转变温度时将其人为变形成高度为3.0mm～5.0mm的瘦长型压缩弹簧形状，则实际应用过程中仿生海豚皮将呈现凹坑型变形。
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