CN103832540A - 利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程仿生技术领域，具体涉及一种利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，包括支撑座、硬化导电层I、人工肌肉伸缩单元、硬化导电层II、仿鲨鱼鳞片表皮层，还包括一减阻剂横向推注装置，其中人工肌肉伸缩单元包括具有一定支撑强度的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，本发明采用的形状记忆合金人工肌肉设计，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模拟鲨鱼皮的微量泌液机制，其推注微量减阻剂的工作模式及控制方法较现有手段更为灵敏、可控、可靠，使用寿命得到有效保证，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

利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮

技术领域

本发明涉及一种仿生鲨鱼皮，更特别地说，是指一种利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，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。鲨鱼、海豚、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，有针对性地研发高效、低阻仿生减阻表皮成为当前的研究热点和难点。

鲨鱼的高游速除了与其完美的流线型形体有关外，还与其表皮特殊的微鳞片结构及其鳞下分泌的粘液关系密切，二者的协同耦合减阻机能被学术界称作“鲨鱼皮效应”（Shark Skin Effect）。当前有关仿鲨鱼复合减阻结构的研究多见报道，比如专利号为ZL201110261668.8的中国专利公开了一种即时缓释减阻剂的高逼真仿鲨鱼减阻结构及其制作方法，通过在仿鲨鱼沟槽微形貌上制作微孔阵列，借助电液控制系统控制减阻剂由泵源经由该微孔阵列向仿鲨鱼微鳞片表面缓释减阻剂以达到仿鲨鱼复合减阻的效果；再比如专利号为ZL201110261667.3、ZL201110261739.4、ZL201110261678.1的中国专利公开了一系列以硅藻土中的硅藻壳体为缓释媒介，向同时以硅藻土为构形介质制作出的高逼真仿鲨鱼微鳞片表面缓释减阻剂的方法。但上述结构或方法存在制作工艺复杂、控制方法繁琐、使用寿命短、可操作性差等问题。

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（Shape Memory Alloys，简称SMA）是当前应用较为成熟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，提供一种利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，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：利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，其特征在于，包括支撑座、硬化导电层I、人工肌肉伸缩单元、硬化导电层II、仿鲨鱼鳞片表皮层，所述支撑座用于支撑并将仿生鲨鱼皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层I的下表面与支撑座上表面相固定，所述硬化导电层II的上表面与仿鲨鱼鳞片表皮层的下表面相胶合，若干数量的人工肌肉伸缩单元呈阵列化竖直排布于硬化导电层I和硬化导电层II之间所夹的空间内，所述人工肌肉伸缩单元包括具有一定支撑强度的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I绝缘的同时与支撑座固定连接，另一端在与硬化导电层II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I做导电连接，另一段与硬化导电层II做导电连接，牵拉头的底面与硬化导电层II的上表面相胶合，牵拉头的其余面与仿鲨鱼鳞片表皮层下表面所开设的若干牵拉孔相对应固定连接，仿鲨鱼鳞片表皮层的上表面制作有若干高逼真仿鲨鱼微鳞片，仿鲨鱼鳞片表皮层上开有一定数量、规则排列的通孔型表皮泌液微孔，硬化导电层II上开有一定数量、规则排列且与表皮泌液微孔对应连通的硬化导电层II输液通孔，硬化导电层I上开有一定数量、规则排列的硬化导电层I输液通孔，支撑座上开有一定数量、规则排列且与硬化导电层I输液通孔对应连通的支撑座输液通孔；还包括一减阻剂横向推注装置，所述减阻剂横向推注装置包括储液罐、水溶性减阻剂、管路、单向阀I、推注活塞、推注缸进口、推注缸出口、推注缸、单向阀II，储液罐用于存储水溶性减阻剂以作为推注用减阻剂的来源，一定数量的单向阀I固定于支撑座下表面上，其来流端通过管路连通储液罐，其去流端依次经由支撑座输液通孔和硬化导电层I输液通孔与推注缸进口连通，一定数量的推注缸横向固定于硬化导电层I的上表面，推注缸的封闭空间内注满水溶性减阻剂，推注活塞的一端处于推注缸内且与推注缸内壁保持滑动密封连接，其另一端与形状记忆合金人工肌肉簧的外圆柱面纵向中间部位固定连接，一定数量的单向阀II固定于硬化导电层II下表面上，其来流端与推注缸出口连通，其去流端依次经由硬化导电层II输液通孔和表皮泌液微孔与仿鲨鱼鳞片表皮层外空间相连通。

所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，硬化导电层I和硬化导电层II的厚度是0.5 mm～0.8 mm，自然状态下硬化导电层I和硬化导电层II之间所夹空间的厚度是3.0 mm～5.0 mm，仿鲨鱼鳞片表皮层的厚度是1.5 mm～2.0 mm，阵列化排布的人工肌肉伸缩单元之间的间距是15.0 mm～20.0 mm。

所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，所推注的水溶性减阻剂的成分是聚丙烯酰胺水溶液，其质量百分比浓度为0.020‰～0.130‰。

所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，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55℃～85℃。

所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，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1.5 mm～2.5 mm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3.0 mm～5.0 mm的瘦长型压缩弹簧形状。

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，将该仿生鲨鱼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I和硬化导电层II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由瘦长型压缩弹簧变形为短粗型压缩弹簧；若干形状记忆合金人工肌肉簧的上述形变一方面将带动牵拉头牵拉硬化导电层II和仿鲨鱼鳞片表皮层，另一方面将推动与其绑定的推注活塞在推注缸内做横向滑动，进而挤压推注缸内现有的水溶性减阻剂，其结果是单向阀II被动开通使得部分减阻剂经由推注缸出口、硬化导电层II输液通孔和表皮泌液微孔排到仿鲨鱼鳞片表皮层的仿鲨鱼微鳞片上及流体介质中，此时仿鲨鱼微鳞片与排出的水溶性减阻剂开始发挥协同耦合减阻效能，完成一次横向推注动作；减阻剂经过一定时间会自然降解及流失，系统需要及时给表皮层补充减阻剂，此时给加热棒断电以使形状记忆合金人工肌肉簧降温，当其降至转变温度以下时，形状记忆合金人工肌肉簧将反过来由短粗型压缩弹簧变形为瘦长型压缩弹簧，进而牵拉与其绑定的推注活塞在推注缸内做反方向横向滑动，使得推注缸内减阻剂压强降低，其结果是单向阀I被动开通，储液罐内的部分减阻剂将经由支撑座输液通孔、硬化导电层I输液通孔和推注缸进口被抽至推注缸内，完成一次横向抽取动作；一次横向推注动作和一次横向抽取动作构成一个完整的减阻剂推注周期，继续加电将开启下一个推注周期。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：（1）本发明采用的形状记忆合金人工肌肉设计，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模拟鲨鱼皮的微量泌液机制，其推注微量减阻剂的工作模式及控制方法较现有手段更为灵敏、可控、可靠，使用寿命得到有效保证；（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鲨鱼皮的触碰和挤压，从而起到有效的自我防护作用，具有较强的可操作性；（3）本发明提出的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，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为本发明的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮外观结构图（拆去减阻剂横向推注装置）。

图2为本发明的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮内部结构分层解剖图（拆去减阻剂横向推注装置）。

图3为本发明的人工肌肉伸缩单元结构示意图。

图4A为本发明的仿鲨鱼鳞片表皮层俯视结构示意图。

图4B为本发明的仿鲨鱼鳞片表皮层仰视结构示意图。

图5为本发明的人工肌肉伸缩单元与两个硬化导电层的安装示意图。

图6为本发明的支撑座结构示意图。

图7为本发明的减阻剂横向推注装置结构示意图。

图中：1、支撑座  2、硬化导电层I  3、人工肌肉伸缩单元  4、硬化导电层II 

5、仿鲨鱼鳞片表皮层  6、形状记忆合金人工肌肉簧  7、连接导线  8、牵拉头  9、两段式电加热棒  10、仿鲨鱼微鳞片  11、牵拉孔  12、表皮泌液微孔  13、硬化导电层II输液通孔  14、硬化导电层I输液通孔  15、支撑座输液通孔  16、储液罐  17、水溶性减阻剂  18、管路  19、单向阀I  20、推注活塞  21、推注缸进口  22、推注缸出口  23、推注缸  24、单向阀II。

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6，利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，包括支撑座1、硬化导电层I 2、人工肌肉伸缩单元3、硬化导电层II 4、仿鲨鱼鳞片表皮层5。所述支撑座1用于支撑并将仿生鲨鱼皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层I 2的下表面与支撑座1上表面相固定，所述硬化导电层II 4的上表面与仿鲨鱼鳞片表皮层5的下表面相胶合，硬化导电层I 2和硬化导电层II 4的厚度均为0.8 mm。若干数量的人工肌肉伸缩单元3呈阵列化竖直排布于硬化导电层I 2和硬化导电层II 4之间所夹的厚度为5.0 mm的空间内，阵列化人工肌肉伸缩单元3之间的间距是20.0 mm，所述人工肌肉伸缩单元3包括具有一定支撑强度的形状记忆合金人工肌肉簧6、牵拉头8、两段式电加热棒9和连接导线7，形状记忆合金人工肌肉簧6的一端在保持与硬化导电层I 2绝缘的同时与支撑座1固定连接，另一端在与硬化导电层II 4绝缘的同时与牵拉头8固定连接，借由可伸缩连接导线7串联起来的两段式电加热棒9中的一段与硬化导电层I 2做导电连接，另一段与硬化导电层II 4做导电连接，牵拉头8的底面与硬化导电层II 4的上表面相胶合，牵拉头8的其余面与仿鲨鱼鳞片表皮层5下表面所开设的若干牵拉孔11相对应固定连接。厚度为2.0 mm的仿鲨鱼鳞片表皮层5的上表面制作有若干高逼真仿鲨鱼微鳞片10，仿鲨鱼鳞片表皮层5上开有一定数量、规则排列的通孔型表皮泌液微孔12，硬化导电层II 4上开有一定数量、规则排列且与表皮泌液微孔12对应连通的硬化导电层II输液通孔13，硬化导电层I 2上开有一定数量、规则排列的硬化导电层I输液通孔14，支撑座1上开有一定数量、规则排列且与硬化导电层I输液通孔14对应连通的支撑座输液通孔15。

参照图7，利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，还包括一减阻剂横向推注装置。所述减阻剂横向推注装置包括储液罐16、水溶性减阻剂17、管路18、单向阀I 19、推注活塞20、推注缸进口21、推注缸出口22、推注缸23、单向阀II 24。储液罐16用于存储水溶性减阻剂17以作为推注用减阻剂的来源，水溶性减阻剂17的成分是质量百分比浓度为0.020‰的聚丙烯酰胺水溶液，一定数量的单向阀I 19固定于支撑座1下表面上，其来流端通过管路18连通储液罐16，其去流端依次经由支撑座输液通孔15和硬化导电层I输液通孔14与推注缸进口21连通，一定数量的推注缸23横向固定于硬化导电层I 2的上表面，推注缸23的封闭空间内注满水溶性减阻剂17，推注活塞20的一端处于推注缸23内且与推注缸23内壁保持滑动密封连接，其另一端与形状记忆合金人工肌肉簧6的外圆柱面纵向中间部位固定连接，一定数量的单向阀II 24固定于硬化导电层II 4下表面上，其来流端与推注缸出口22连通，其去流端依次经由硬化导电层II输液通孔13和表皮泌液微孔12与仿鲨鱼鳞片表皮层5外空间相连通。

制作形状记忆合金人工肌肉簧6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6时，先在温度高于55℃时加工成高度为2.5 mm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5.0 mm的瘦长型压缩弹簧形状。

拟将该仿生鲨鱼皮应用于常年在近海活动的某型摩托艇上（艇长3.2 m），仿生鲨鱼皮的铺设长度为2.0 m。首先，按照该型摩托艇通常工作环境（海水水温20℃，密度为1.025×10³ kg/m³、动力粘度为1.002×10^-3 kg/m·s）下的设计最低巡航速度7 m/s计算该工况下仿生鲨鱼皮的雷诺数：

                                                                      

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I 2和硬化导电层II 4通电以加热两段式电加热棒9，使得形状记忆合金人工肌肉簧6快速升温至55℃以上，进而形状记忆合金人工肌肉簧6基于自身材质特性将自行由瘦长型压缩弹簧变形为短粗型压缩弹簧；若干形状记忆合金人工肌肉簧6的上述形变一方面将带动牵拉头8牵拉硬化导电层II 4和仿鲨鱼鳞片表皮层5，另一方面将推动与其绑定的推注活塞20在推注缸23内做横向滑动，进而挤压推注缸23内现有的水溶性减阻剂17，其结果是单向阀II 24被动开通使得部分减阻剂经由推注缸出口22、硬化导电层II输液通孔13和表皮泌液微孔12排到仿鲨鱼鳞片表皮层5的仿鲨鱼微鳞片10上及流体介质中，此时仿鲨鱼微鳞片10与排出的水溶性减阻剂17开始发挥协同耦合减阻效能，完成一次横向推注动作；减阻剂经过一定时间会自然降解及流失，系统需要及时给表皮层补充减阻剂，此时给加热棒断电以使形状记忆合金人工肌肉簧6降温，当其降至55℃以下时，形状记忆合金人工肌肉簧6将反过来由短粗型压缩弹簧变形为瘦长型压缩弹簧，进而牵拉与其绑定的推注活塞20在推注缸23内做反方向横向滑动，使得推注缸23内减阻剂压强降低，其结果是单向阀I 19被动开通，储液罐16内的部分减阻剂将经由支撑座输液通孔15、硬化导电层I输液通孔14和推注缸进口21被抽至推注缸23内，完成一次横向抽取动作；一次横向推注动作和一次横向抽取动作构成一个完整的减阻剂推注周期，继续加电将开启下一个推注周期。

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 (5)

1.利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，其特征在于，包括支撑座（1）、硬化导电层I（2）、人工肌肉伸缩单元（3）、硬化导电层II（4）、仿鲨鱼鳞片表皮层（5），所述支撑座（1）用于支撑并将仿生鲨鱼皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层I（2）的下表面与支撑座（1）上表面相固定，所述硬化导电层II（4）的上表面与仿鲨鱼鳞片表皮层（5）的下表面相胶合，若干数量的人工肌肉伸缩单元（3）呈阵列化竖直排布于硬化导电层I（2）和硬化导电层II（4）之间所夹的空间内，所述人工肌肉伸缩单元（3）包括具有一定支撑强度的形状记忆合金人工肌肉簧（6）、牵拉头（8）、两段式电加热棒（9）和连接导线（7），形状记忆合金人工肌肉簧（6）的一端在保持与硬化导电层I（2）绝缘的同时与支撑座（1）固定连接，另一端在与硬化导电层II（4）绝缘的同时与牵拉头（8）固定连接，借由可伸缩连接导线（7）串联起来的两段式电加热棒（9）中的一段与硬化导电层I（2）做导电连接，另一段与硬化导电层II（4）做导电连接，牵拉头（8）的底面与硬化导电层II（4）的上表面相胶合，牵拉头（8）的其余面与仿鲨鱼鳞片表皮层（5）下表面所开设的若干牵拉孔（11）相对应固定连接，仿鲨鱼鳞片表皮层（5）的上表面制作有若干高逼真仿鲨鱼微鳞片（10），仿鲨鱼鳞片表皮层（5）上开有一定数量、规则排列的通孔型表皮泌液微孔（12），硬化导电层II（4）上开有一定数量、规则排列且与表皮泌液微孔（12）对应连通的硬化导电层II输液通孔（13），硬化导电层I（2）上开有一定数量、规则排列的硬化导电层I输液通孔（14），支撑座（1）上开有一定数量、规则排列且与硬化导电层I输液通孔（14）对应连通的支撑座输液通孔（15）；还包括一减阻剂横向推注装置，所述减阻剂横向推注装置包括储液罐（16）、水溶性减阻剂（17）、管路（18）、单向阀I（19）、推注活塞（20）、推注缸进口（21）、推注缸出口（22）、推注缸（23）、单向阀II（24），储液罐（16）用于存储水溶性减阻剂（17）以作为推注用减阻剂的来源，一定数量的单向阀I（19）固定于支撑座（1）下表面上，其来流端通过管路（18）连通储液罐（16），其去流端依次经由支撑座输液通孔（15）和硬化导电层I输液通孔（14）与推注缸进口（21）连通，一定数量的推注缸（23）横向固定于硬化导电层I（2）的上表面，推注缸（23）的封闭空间内注满水溶性减阻剂（17），推注活塞（20）的一端处于推注缸（23）内且与推注缸（23）内壁保持滑动密封连接，其另一端与形状记忆合金人工肌肉簧（6）的外圆柱面纵向中间部位固定连接，一定数量的单向阀II（24）固定于硬化导电层II（4）下表面上，其来流端与推注缸出口（22）连通，其去流端依次经由硬化导电层II输液通孔（13）和表皮泌液微孔（12）与仿鲨鱼鳞片表皮层（5）外空间相连通。

2.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，其特征在于：硬化导电层I（2）和硬化导电层II（4）的厚度是0.5 mm～0.8 mm，自然状态下硬化导电层I（2）和硬化导电层II（4）之间所夹空间的厚度是3.0 mm～5.0 mm，仿鲨鱼鳞片表皮层（5）的厚度是1.5 mm～2.0 mm，阵列化排布的人工肌肉伸缩单元（3）之间的间距是15.0 mm～20.0 mm。

3.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，其特征在于：所推注的水溶性减阻剂（17）的成分是聚丙烯酰胺水溶液，其质量百分比浓度为0.020‰～0.130‰。

4.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，其特征在于：制作形状记忆合金人工肌肉簧（6）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55℃～85℃。

5.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金人工肌肉横向推注减阻剂的仿生鲨鱼皮，其特征在于：制作形状记忆合金人工肌肉簧（6）时，先在温度高于其转变温度时加工成高度为1.5 mm～2.5 mm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3.0 mm～5.0 mm的瘦长型压缩弹簧形状。

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