CN104763620A - 柔性蠕动泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性蠕动泵，包括泵单元，固定单元与连接单元，其中泵单元为采用驱动薄膜制作的囊状结构，并含有至少一个开口用于流体的流入流出的通道。智能软材料的薄膜在外加激励下由于本征应变产生舒展与收缩产生蠕动泵的驱动力，吸入与排出液体。固定单元为刚性结构用于支撑泵单元和连接单元。连接单元为柔性结构，将泵单元连接成链，保证整个蠕动泵的柔性特征，其内含有自动阀门控制流体进出。固定单元用于支撑泵单元。本发明借助驱动薄膜材料采用特定的结构实现了蠕动泵结构的进一步简化，提高了蠕动泵的稳定性，可靠性，高效性，经济性并降低工作噪音。本发明未来可以广泛应用于化工、采矿冶金，造纸、油漆涂料、食品、陶瓷、石油、水处理、制药、医疗器械领域。特别是在人造器官方面将会发挥重要的作用。

Description

柔性蠕动泵

技术领域

本发明涉及机械领域，具体涉及一种利用智能软材料结合特定结构的柔性蠕动泵。

背景技术

如中国专利CN101918714所述的传统的蠕动泵由驱动器，泵头和弹性软管三部分构成，利用泵头内的机械结构对软管进行挤压和释放，使软管中的流体定向流动。由于在流体运输中，流体只接触泵管而不接触泵体，因而二次污染少、密封性好，能输送固、液或气液混合物，包括腐蚀性液体和气敏感的物料以及各种食品。但是由于其设计限制，导致传统蠕动泵驱动器以及泵头部分含有大量刚性的机械结构，例如齿轮、传动轴、弹簧、铰链、螺钉、螺栓等等，降低了蠕动泵的结构稳定性（易发生结构失效），产生一定的传动噪音，影响了蠕动泵的使用寿命；而弹性软管由于长期受到挤压也导致其结构易老化和破损，并对泵头造成损害，增加了使用成本。并且，大量刚性的机械结构使得传统的蠕动泵在现有的技术特征下，难以进一步小型化，因而不适用于空间较小的场合（例如人体内），也难以满足生物相容性要求，因而不能作为人造器官，例如用于制造人工心脏，人工膀胱等。

现代智能软材料技术的发展，通过材料与结构相结合的设计，为研发新型的高效率，快速响应，低噪音，高经济性、高生物相容性的蠕动泵提供了可能，新型蠕动泵在实现传统蠕动泵功能的同时能进一步简化蠕动泵的结构，提高蠕动泵的结构稳定性、驱动效能、降低驱动噪音以及使用维护成本，还可以获得较好的生物相容性，可进一步用于生物医学，例如用于制造人工心脏，人工膀胱等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用智能软材料的本征应变产生驱动力的柔性蠕动泵。

本发明针对传统蠕动泵的缺点包括结构复杂，工作效率不高，噪音等问题，结合传统蠕动泵的驱动原理(机械挤压)与智能软材料的利用本征应变以及大变形的驱动特性，实现了蠕动泵结构简化，降低了蠕动泵的运行噪音。相对于传统蠕动泵的复杂驱动结构，智能软材料通过本征应变的驱动方式，结合短粗的囊状结构，将驱动力更为直接的传递到内部的流体上，从而省略了传统的蠕动泵的复杂机械结构（例如电机，齿轮传动机构、弹簧、铰链、螺钉、螺栓等）。由于减少了机械机构，进一步降低了运行噪音，同时结构的简化提高了蠕动泵的运行时的稳定性。另一方面简单的结构便于蠕动泵的小型化（例如泵的总体积可以小于100cm³，甚至小于10 cm³），通过改变囊状结构的大小可以提供小体积的蠕动泵。本发明提供的新型蠕动泵将智能软材料本征应变特性结合相应的泵结构，可以制得小体积的、具有生物相容性的蠕动泵，可用于人造器官领域，例如人工心脏，人工膀胱等多种用途。

本发明采用采用的技术方案如下：

一种柔性蠕动泵，其特征在于：所述的柔性蠕动泵包括泵单元，连接单元和固定单元，所述的泵单元为一个或多个，其中：

所述的泵单元为至少一个开口的囊状结构，所述的囊状结构为短粗的空腔结构，构成所述囊状结构的材料为智能软材料；所述的开口用于流体的输入与输出；所述的连接单元通过所述的开口连接各个泵单元；所述的固定单元用于支撑各个泵单元。

本发明所述的蠕动泵利用智能软材料的本征应变产生驱动力，所述的智能软材料是指在外加激励(不包含力场)，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场等作用下，产生的形状变化的特殊材料，力学上表现为刚度和模量很小，可承受较大的变形，其自由形变可恢复；所述的本征应变是指材料在外加激励，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场等作用下产生的形变，这种形变不需要依赖外界的力载荷，也即这种形变是材料自身产生的，例如由于温度变化产生的热胀冷缩。本发明所述的泵单元在内部流体压强的作用下产生变形，当泵单元受到外加激励之后，由于本征应变的作用，所述的智能软材料在宏观上表现为变软，此时在内部流体压力的作用下，所述泵单元进一步膨胀，外部流体流入泵单元内，当外加激励撤去之后，所述泵单元收缩，从而使泵单元内的流体流出。智能软材料通过本征应变的驱动方式将驱动力更为直接的传递到内部的流体上，从而省略了传统的蠕动泵的复杂机械结构（例如电机，齿轮传动机构等），结合短粗的囊状结构，可进一步提高蠕动泵的工作性能，由于减少了机械机构，进一步降低了运行噪音，同时结构的简化提高了蠕动泵的运行时的稳定性。

进一步的，所述泵单元的体积变化率≥70%；所述的体积变化率是指在外加激励后泵单元的相对体积变化率（relative variation of volume），即                                                ，其中为泵单元在工作过程中的体积变化量，V为泵单元的初始体积。传统的蠕动泵受限于驱动原理（机械挤压），只能通过提高泵的管径提高泵头单次挤压过程中泵的输运能力，而管径的提高需要更大功率的驱动电机，同时为了保证管的使用寿命，对管材质的要求更高，从而提高了传统蠕动泵的使用成本。而采用智能软材料制作的蠕动泵结合短粗囊状结构，两者结合可以使得泵单元在单次工作时，拥有远大于传统蠕动泵的体积变化率（≥70%，甚至≥100%），亦即更强的泵单元的单次输运能力，从而提高蠕动泵的运输能力。

进一步的，本发明所述的泵单元的尺寸可为2μm～20cm，相应的蠕动泵的体积约为8μm³～10000cm³。作为优选，所述泵单元的尺寸为1mm～10cm，相应的蠕动泵的体积约为1mm³～1000cm³。更进一步的，所述泵单元的尺寸为1cm～5cm，相应的蠕动泵的体积约为1cm³～100cm³。

进一步的，所述囊状结构的整体形状为短粗结构，其最长维度的长度不超过其他维度长度的15倍；囊状结构壁厚在其最长维度的1/20以下。囊状结构采用短粗结构，可以大大提高所述泵单元的稳定性和机械性能。研究发现，在不失稳定性的情况下，短粗结构可以使得泵单元在相同外加激励作用下体积变形率明显提高。

囊状结构的整体形状为短粗结构。在同等压强下，短粗结构能保证泵单元难以发生局部失稳，例如局部鼓包等不稳定性状，从而增强蠕动泵的稳定性。而保证较高的稳定性，泵单元的短粗结构能使得智能软材料在压强作用下变形最大化。泵单元为至少一个开口的囊状结构，如图1、图2所示，所述的开口用于流体的输入与输出。当囊状结构的开口为一个时（如图1所示），则连接单元内的阀门为双向阀，并且连接单元需要做成T形接头（如图6的(a)图所示），T形接头的中部出口（竖直方向）与泵单元连接，其余两个出口分别为流体入口与流体出口连接。当囊状结构的开口为两个以上时，则连接单元可采用短管结构，则连接单元内的阀门为单向阀（如图6的(b)图所示），单向阀在连接单元内部，连接单元两侧连接有泵单元，流体从一个泵单元经过连接单元的单向阀流入另一个泵单元，实现流体输运。

更进一步的，所述囊状结构的具体形状可以为球体，椭球体(图1)，平行六面体，管状(图2)等多种形状。例如，当所述的囊状结构为长方体时，所述的最长维度即为最长的边，具体地，所述长方体最长边的长度不超过最短边长度的15倍；当所述的囊状结构为椭球体时，所述的最长维度即为椭球体的长轴，具体地，所述椭球体长轴的长度不超过短轴长度的15倍。囊状结构壁厚在其最长维度的1/20以下。

作为优选，若采用管状泵单元，应采用短管结构，囊状结构长径比在15以下，可以调高泵单元的稳定性与工作性能；优选的，囊状结构长径比在10以下；更优选的，囊状结构长径比为2~5，管径应在1μm～20cm为佳。

进一步的，所述的囊状结构由驱动薄膜构成，所述驱动薄膜的两侧粘合有柔性电极，所述泵单元的驱动力由所述驱动薄膜的收缩和舒张产生。所述的驱动薄膜是由智能软材料制成的薄膜（membrane），具有可延展性，大变形特征，同时可以被直接驱动，可以通过外加激励（不含力场），例如磁场、热场、光场、电磁场产生本征应变。若驱动薄膜采用电场作为外界激励，则驱动薄膜两侧需附有柔性电极层。所述柔性电极层在蠕动泵工作过程中主要作为导电作用，因而在具备一定的导电特性的同时，应尽可能的降低柔性电极层的拉伸模量，减少其对泵单元功能的影响，例如可以采用碳膏，含银导电膏，或者直接在驱动薄膜表面喷涂纳米金属电极层。另一方面，在泵单元工作过程中，柔性电极层的导电特性，例如电阻不应发生较大变化。更进一步的，所述的泵单元还包括保护层。所述的保护层将驱动薄膜与外界的环境隔绝开，对内部的驱动薄膜起保护作用，防止驱动薄膜与所运输流体以及周围环境的相互作用。所述保护层与所述的驱动薄膜互相粘合，所述的保护层包覆在所述驱动薄膜的外部。

进一步的，当所述的外加激励为磁场、热场、光场、电磁场等时，所述的泵单元还可以仅由驱动薄膜及其外部的保护层组成，所述的保护层包覆在所述驱动薄膜的外部，对内部的驱动薄膜起保护作用，防止驱动薄膜与所运输流体以及周围环境的相互作用。

本发明所述的保护层可采用喷涂保护膜或者粘附一层比驱动薄膜更薄且拉伸模量更低的橡胶类材料，应尽可能选择模量小并具有较好的抗腐蚀，耐油，耐老化，绝缘的材料。例如3M公司生产VHB胶带材料。若蠕动泵用于生物体内部用作人造器官时，保护层还应具有一定的生物相容性，例如3M的医用丝绸，以满足医学要求。

进一步的，所述的驱动薄膜为经过预拉伸的柔性薄膜，预拉伸可有效提高所述驱动薄膜的驱动性能，进一步提高结构稳定性。所谓的预拉伸即对于所述的驱动薄膜在工作之前施加一定的拉伸应变，例如对于正方形薄膜可以沿着垂直于边长方向施加双向的预拉伸载荷，并通过外界框架约束保持这一应变作为驱动薄膜的初始状态，这一过程即为施加预拉伸的过程。如果囊状结构采用管状结构，则可以在制作泵单元时，对所述驱动薄膜同时施加轴向拉伸，使驱动薄膜发生轴向拉伸变形。在变形后，用固定单元对管状机构（驱动薄膜构成）加以固定维持预拉伸状态。

进一步的，所述的连接单元通过所述囊状结构的开口连接各个泵单元，使所述的蠕动泵成为柔性链状结构，并具备一定的柔性。所述的连接单元可采用柔性材料，例如天然橡胶，硅胶等。所述连接单元与所述泵单元的连接方式可以采用粘结、螺纹连接、焊接，沟槽连接，法兰连接，承插连接等多种方式。所述的连接单元采用柔性材料，保证蠕动泵整体的柔性特征，连接单元如果采用图2所示的环状结构，此时蠕动泵应采用直链结构，亦即所有的连接单元因大致在一条直线上。如果蠕动泵需要做成其他形状，则相应的连接单元应采用其他弯折的管状结构。

进一步的，所述的固定单元用于支撑各个泵单元，通常为模量较高的材料，例如金属，高模量塑料，高模量的橡胶，一般而言，高模量指材料的拉伸模量，大小应为1MP以上。高模量应足以保护结构在蠕动泵工作室不产生大的功能失效行为，例如结构失稳导致泵产生大的非对称变形从而导致结构破裂，用以支撑泵单元。固定单元的结构可以为框架结构或者为壳体结构，将泵单元包裹在内，对泵单元起到支撑作用，使其在变形过程中结构相对稳定。采用框架结构，可以减少蠕动泵的材料消耗。另一方面根据使用情况不同，如果驱动薄膜采用光敏材料，则采用框架结构有利于外界光刺激对驱动材料产生作用。固定单元之间可以连接或者不连接，视工作环境而定，例如，当蠕动泵的位置不需要经常移动时，固定单元之间可以直接连接。

进一步的，所述的柔性蠕动泵为线性结构或卷曲结构，如图1-图3所示。线性结构意味着泵单元首尾连接成为沿直线排列。采用卷曲结构，则泵单元的连接形式可以多种多样，如图3显示的螺旋状蠕动泵，或者其他任意的卷曲结构。如此蠕动泵可以应用到更多的复杂环境中。

本发明所述的柔性蠕动泵，若构成囊状结构的驱动薄膜采用的智能软材料为介电高弹体材料，使介电高弹体材料产生本证应变需要外加激励为电场，则所述的泵单元需要与外界供电系统连接，需要在所述驱动薄膜的两侧粘合用于与外界供电系统连接的柔性电极，最好在柔性电极再粘合保护层，所述的保护层具有绝缘以及保护驱动薄膜不受环境或者运输介质侵蚀的作用。为防止漏电，在柔性电极层与外界供电系统的连接处需要做好绝缘处理。

若构成囊状结构的驱动薄膜采用的智能软材料为热敏材料，则使热敏材料产生本征应变需要外加激励为热场，则需要对泵单元进行加热，具体的加热方式有电热丝加热，微波加热，红外加热等多种方式。若采用电热丝加热，则要求电热丝的对结构的力学性能（对泵单元的活动不能产生过大的阻力）产生大的影响。同时电热丝应在驱动薄膜和保护膜之间，此次保护膜应具有一定的隔热效果，以防止能量流失到环境中。

若构成囊状结构的驱动薄膜采用的智能材料为光敏材料，感应材料等，相应的结构也需要进行如上的适当调整，同时对保护膜也将有新的要求。

本发明所述柔性蠕动泵的泵单元在工作时内外流体需要具有一定的压力差，且优选的方案为泵单元的内压大于外压，形成泵单元的内外压差，也就是泵单元内流体的压力大于泵单元外流体的压力。泵单元的短粗结构（长径比≤15）有利于提高泵单元的稳定性，同时在相同的材料以及载荷情况下提高泵单元的体积变化率。发明人通过对比发现，如图10所示，细长泵单元（长径比≥16），容易发生结构失稳，亦即细长管发生非对称变形，局部鼓包，在外加激励作用下发生局部破裂。细长结构（长径比≥16）与智能软材料结合，将使得泵单元的结构稳定性下降，亦即在相同的载荷条件下（同等压力差与外加激励），细长结构相对于短粗结构更为容易被破坏，使得泵单元失效。而如果构成泵单元的智能软材料不能承受大变形，则使得泵的变形较小，即使提高泵内外压差也无法提高泵单元的单次输运能力。所述的单次输运能力指蠕动泵在一次驱动过程，亦即外加激励变化一次中泵单元的输运流体体积。由此表明本发明的发明要点在于智能软材料和泵结构的结合，二者协同作用，否者无法达到设计要求。

发明人的研究发现，当囊状结构的长径比在10以及10以下可以进一步提高囊状结构的稳定性以及单次运输能力，进一步地，当所述的囊状结构为长径比2～5的短管时，在同等压强作用下，囊状结构具有非常好的稳定性，几乎不会发生局部失稳。所述的局部失稳是指发生结构失效或结构局部破坏。短粗的囊状结构有利于提高囊状结构的抗压能力。同时提高泵单元性能，具体表现在提高流出泵单元流体的压强，也就提高了泵单元输运流体的能力。

由多个泵单元组成的柔性蠕动泵，在外加激励的控制下，所述柔性蠕动泵中的泵单元依次收缩扩张。根据设计要求，蠕动泵在工作之前，内部流体的压力应高于外界流体压力，亦即内外存在一定压差，工作时，构成囊状结构的智能软材料在外加激励的作用下，由于本征应变的作用，宏观表现为材料变软，此时在泵单元内外压差的作用下，泵单元舒张，流体流入泵单元。而当外加激励撤去之后，智能材料本身的本征应变消失，泵单元宏观上有收缩趋势，并将流体从泵单元排出。多个泵单元依次连接，由于驱动单元的驱动时有收缩和舒展两种状态，相邻的泵单元依次收缩舒展从而使所述的蠕动泵实现流体的输运。可以通过对外加激励的控制实现所述柔性蠕动泵的输运能力调节。例如，所述蠕动泵采用介电高弹体作为泵单元的材料，所述的外加激励为电场，通过对电场大小的控制使介电高弹体发生本征应变，推动泵内液体流动，完成流体输运。又例如，所述蠕动泵采用热敏材料作为泵单元的材料，所述的外加激励为热场，通过对热场的控制是热敏材料发生本征应变，推动泵内液体流动，完成流体输运。当提高热场变化幅度时，可以提高泵单元的单次输运能力。当提高温度场的变化频率时，可以提高泵的单位时间内的输送能力。

下面以高压发生器作为激励方式，泵单元为驱动薄膜构成的短管，所述驱动薄膜的材料为介电高弹体(DE)为例子，阐述本发明所述的蠕动泵利用智能软材料的本征应变产生驱动力的原理，示意图参见图4、图5和图7。

图4的(a)图显示了初始状态的DE短管，长度为L，管壁厚度为H ₀，半径为R ₀。图4的(b)图显示了经过预拉伸之后的DE管，长度为l，管壁厚度为h，半径为r。这里定义长度方向的拉伸率为λ ₁=l/L，环向的拉伸率为λ ₂=r/R ₀，厚度方向的拉伸率为λ ₃=h/H。此时泵的长径比为l /R ₀，依据本发明的短粗管要求，l /R ₀≤15。

根据力学理论可得，所述管状泵单元的控制方程为：

       其中s1，s2分别为管状泵单元在轴向、环向的名义应力（nominal strain）大小，η为管状泵单元在未拉伸状态下任意物质点在轴向的坐标位置，z为经过变形后泵单元上任意物质点的轴向坐标值，θ为变形后的管状泵单元在载荷作用下任意位置的切线与所述泵单元轴向的夹角，P为管状泵单元的内外压差，管内的压力高于管外压力。

       另一方面，考虑外界的电场激励，并利用超弹性材料模型中的Gent模型，则名义应力可以表示如下：

其中μ和J _lim为Gent模型中的材料参数。这里Gent模型主要用于计算超弹性材料的应变能，相应的应变能函数，

而式(5)中的ε为材料介电参数，为名义电场强度，可以表示为：

其中为薄膜两侧所施加的电压大小，而λ ₃为薄膜厚度方向上的变形率大小。通过以上方程以及考虑边界条件

即可计算出在不同压差下的泵单元的体积变化率，以及在电载荷作用下泵单元内的压差变化。求解时将r，z，θ以及λ ₁都看做η的函数。图8显示了理论预测的结果与实验结果的比较。其中图8的（a）图为在不加外加激励时，泵单元内的体积与压强变化曲线，图8的（b）图为泵单元在施加电激励之后，电压与压强的关系曲线。结果表明理论与实际符合的较好。图中的变量都采用归一化处理，具体归一化方式如下

结果表明理论预测结果与实际较为符合。

       利用这一模型我们对于不同尺寸的泵单元以及不同载荷下的泵单元的力学响应进行了计算，初步获得了较为优化的泵单元设计方案。首先泵单元的长度与管径的比大致应为2，其次对于管轴向方向上进行适当预拉伸(2-3)，将进一步提高泵单元的工作性能。主要表现为，提高内外压差，亦即工作压差，同时提高稳稳定性。

本发明还提供一种流体传输系统，所述的流体传输系统包含如上所述的柔性蠕动泵，以及连接组件，阀门等结构。该流体传输系统中，每个泵单元可以提供动力，两个及以上的泵单元连接成蠕动泵可以提高更高的流体输出压强，另一方面，本发明所述的流体传输系统，可以实现超远距离输送，对于复杂的输出环境，例如，空间狭小，不规则，强酸强碱的化学腐蚀性强的环境下，也有较好的适应能力。

本发明所述的柔性蠕动泵可应用于化工、采矿冶金，造纸、油漆涂料、食品、陶瓷、石油、水处理、制药、医疗器械领域。例如在医疗领域，可利用蠕动泵制成人工心脏、人造膀胱，解决器官移植资源短缺的问题。而在制药行业中也可以利用本发明结构简单的特点，以及在驱动过程中可以做到壁面与驱动流体直接接触，因而壁面了直接污染。而在采矿与冶金行业中，可以采用长链蠕动泵，可以实现长距离运输，并提高出口压强。

本发明的有益效果是：

1、针对传统基于机械挤压原理的蠕动泵，采用了新的智能软材料，利用新材料的驱动特性，结合特定的单元结构进行了重新的设计，大大简化了蠕动泵的结构，其所制成的蠕动泵具有结构简单，可靠性高，效率高，噪音污染水平低以及成本较低的特点。

2、本发明依托于新型智能软材料，随着技术发展，基于本设计的蠕动泵的性能将会进一步提高，并降低成本。由本发明构成的蠕动泵系统将动力与运输管道结合可以实现长距离运输，以及根据要求提供较高的输出压强。采用短粗泵单元设计，与智能软材料的结合，在外加激励的作用下可以较高的体积变化率（≥70%，甚至≥100%），从而可以提高泵单元的单次输运能力。

3、本发明的结构简单，没有传统的机械结构(包括压头，齿轮传动等部件)，同时泵的输运能力可以通过简单控制外界电压的大小控制，从而可进一步小型化（例如泵的总体积可以小于100cm³，甚至小于10 cm³），用于微流体的运输与控制。同时此蠕动泵采用单元化设计，可以自由改变蠕动泵的长度，输运能力，整体形状，从而符合各种使用环境要求。另一方面，省却了机械结构，降低了机构运行时的噪音水平。

       4、本发明所述的柔性蠕动泵可应用于在化工、采矿冶金，造纸、油漆涂料、食品、陶瓷、石油、水处理、制药、医疗器械领域。特别地，利用其结构简单特性，良好的环境适应能力，以及单次输运高性能，高效能为了在医疗行业特别是器官移植行业有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明线性结构柔性蠕动泵的示意图，其中，所述泵单元的囊状结构的开口为一个；

图2为本发明线性结构柔性蠕动泵的示意图，其中，所述泵单元的囊状结构的开口为两个以上；

图3为本发明卷曲结构柔性蠕动泵的示意图；左图为装置俯视图，右图为装置侧视图。

图4为本发明的泵单元拉伸前（a）和施加预拉伸之后(b)的图；

图5为本发明的泵单元工作原理图；分别显示了泵单元在外加电激励前后（15、16）两个状态形状轮廓，表示了泵单元前后的体积变化，体积变化量即为泵单元排出流体的体积，单次输运能力是指在外加激励加入以及撤离的这一周期中泵单元的体积变化率。

图6为本发明的连接单元的可选形式：（a）T型连接，（b）短管连接。

图7为本发明泵单元的力学平衡分析图。

图8为本发明的理论和实验对比图；（a）短管的初始长径比，轴向预拉伸为，未加电激励时的泵单元体积压强关系曲线。（b）短管的初始长径比，轴向预拉伸为，在加入电激励之后泵单元的电激励（电压）与泵单元内的压强的关系曲线。

图9为本发明的采用3M VHB4910材料的短管泵单元的理论计算结果图以及实际装置图，（a）图为短管的初始长径比L ₀/R ₀=1, 预拉伸λ _pre=2的泵单元在不同电压下的 曲线图；（b）图为短管的初始短管长径比L ₀/R ₀=8，预拉伸λ _pre=2的泵单元在不同电压下的 曲线图；（c）图为短管的初始短管长径比L ₀/R ₀=1, 预拉伸λ _pre=2的泵单元在交流电载荷下（10kV，偏置电压5kV，1Hz正弦交流电），泵单元响应图。图中High voltage为交流电波峰值10kV，Low voltage为交流电波谷值0kV。

图10为对比实施例中细长泵单元（长径比大于10），沿管方向变形不再均匀，出现了局部变形过大，局部过小。

图中所示， 1——泵单元，2——连接单元，3——固定单元，4——外接电源，12——保护层，13——柔性电极，14——驱动薄膜，15——外加电激励前泵形状，16——外加电激励后的泵形状，17—细长泵单元，25——阀门，26——连接单元与泵单元连接处。

具体实施方式

以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

       本发明提供了一种可实现复杂环境下流体传输的柔性蠕动泵，该蠕动泵可以根据需要，控制外加激励的大小，提供不同的流量以及扬程。本发明的蠕动泵由泵单元1，连接单元2和固定单元3组成，所述的泵单元1为一个或多个。本发明的蠕动泵还可以进一步包括流体传输管路，蠕动泵控制电路，蠕动泵运行监视系统等构成流体传输系统。

所述的泵单元1为短粗囊状结构，所述囊状结构的最长维度的长度不超过其他维度长度的15倍；囊状结构壁厚在其最长维度的1/20以下。作为优选，所述囊状结构的最长维度的长度不超过其他维度长度的10倍；进一步地，所述的囊状结构为短管，所述短管的长径比为2～5可进一步提高泵单元1的稳定性与性能。

所述的泵单元可由具有驱动功能的驱动薄膜14以及化学性质稳定的保护层12构成，所述的保护层与泵单元中的流体不发生化学反应。若必要可在驱动薄膜14与保护层12之间添加其他材料，构成新的层，例如当驱动薄膜14采用介电高弹体材料时，可在驱动薄膜14和保护层12之间增加柔性电极13；当驱动薄膜14采用热敏材料时，可在驱动薄膜14和保护层12之间增加通电后会变热的电热层。

       其中，所述的泵单元1的开口处与连接单元2连接。

       所述的泵单元1与连接单元2在与固定单元3连接后被固定。

       所述的驱动薄膜14与保护层12完美粘合。

       所述的泵单元1通过连接单元2连接，在固定单元3的支撑作用下形成链状或者卷曲结构，实现远距离运输。

       本发明的蠕动泵的泵单元1为柔性结构，其主要由固定单元3支撑，通过调节固定单元3的长度可以调节泵单元1的驱动薄膜14的张紧力的大小，以及改变泵单元1内驱动薄膜14的预拉伸。

       进一步地，本发明要求保护层12具有柔性特征，在蠕动泵的泵单元1工作过程中不增加过多的机械能耗散。同时若保护层12与驱动薄膜14之间含有其它材料层，例如，柔性电极层13，则要求柔性电极层13与保护层12，驱动薄膜14具有较好的粘结，在蠕动泵的泵单元1的运动过程中不发生相对滑移，以减少摩擦耗散。与保护层12一样，这里也要求类似电极层13的其他材料层都需要具备柔性特征。

       本发明的蠕动泵的泵单元1在工作时需要其内外存在压力差，且内部压强略高于外部，通过对驱动薄膜14施加激励，则驱动薄膜14发生本征应变，从而改变驱动薄膜14内的张力，从而在外界压强稳定的条件下，内部流体的压强变化，推动泵单元内的流体流入流出，从而完成泵单元1的功能。

       本发明的蠕动泵的外加激励方式可以采用多种，例如光场、电场、热场、磁场等激励源，根据激励方式的不同，可以选取不同类型的智能软材料薄膜。

下面结合附图以及实施例，采用介电高弹体材料作为驱动薄膜14的智能软材料为本发明做进一步说明。相应的激励为电场激励。介电高弹体材料可以采用硅橡胶，聚丙烯酸，聚二甲基硅氧烷等。作为优选，这里采用3M公司生产的VHB4910胶带作为驱动薄膜14。鉴于VHB4910为带状胶带（厚度为1mm），因而可以通过将方形胶带卷成空心短管，接缝处由胶带自粘合。这里空心短管的直径为31.4mm，圆管长度与半径的初始长径比为L ₀/R ₀=2，预拉伸为2 (l ₀/L ₀=2，为优选值)。并采用食盐水作为导电材质，此时并不在薄膜两侧加以保护层(VHB4910胶带在食盐水中稳定)。空心短管直接构成泵单元1，其端部与连接单元2连接。利用VHB4910超粘特性泵单元1可以直接与连接单元3粘结，必要的话可以在粘结处用扎带固定或金属圈固定等额外的固定，目的是为了保证在泵单元1工作过程中不与连接单元脱落。

将泵单元1内的水连接外接电源4电极一端，而泵单元1外的水连接外接电源4电极的另一端，采用正弦交流电激励，在驱动薄膜14内部形成电场。交流电的幅值为10kV，这里偏置量为5kV，交流电的频率取1-10Hz。实验表明在1-2Hz附近，泵单元1具有较好的响应，具体表现在外加激励加载之后，泵内液面变化幅度较大，亦即泵单元1内的流体压强变化大。而从泵单元1的功能而言，提高出入流体的压强变化，间接提高泵单元体积变化，提高了泵的输运能力（具体表现为扬程与单次输出能力的提高），如图9的（c）图所示。

在中低强度工作下，例如，工作电压幅值为7kV以下，偏置电压的幅值为工作电压幅值的一半，交流电频率为1-10Hz，泵的工作噪音可以降至30分贝，甚至达到10分贝。作为对比，对中国专利CN101918714所述的传统蠕动泵的工作噪音进行测试，其工作噪音为75分贝以上（相当于人大声说话时的分贝数），这是由于传统蠕动泵含有大量的转子、定子、凸轮组件等机械，使其在工作过程中由于机械接触以及摩擦产生噪音的缘故。而本发明的蠕动泵结合了智能软材料和短粗囊状结构，不含有转子，定子、凸轮组件等机械结构，因而具有较低的噪音水平，从而本发明可用于对噪音要求高的场合，例如可以用作医疗器械用于人造器官移植、血液透析、输液等。

以下采用3M VHB4910智能软材料构成的短管泵单元为例，来说明短管的预拉伸后长径比对于泵单元结构稳定性以及泵单元性能的影响。

对比实验采用以下两类短管作为泵单元1，预拉伸后长径比为 = 4（如图9的（c）图所示）以及预拉伸后长径比为= 40（如图10所示）的3M VHB4910短管，两者的预拉伸均为λ _pre=。实验中泵单元内部流体为盐水（盐水浓度为4.15g/L），水温25℃ 。材料模型采用Gent材料模型，剪切模量μ取20.62kPa，J_lim=220，相对介电参数为4.7，这些参数用作理论计算。由图8可得理论计算和实验符合的较好。

图9的（a）图，为本发明的短管泵单元的理论计算结果图，（a）图为初始长径比L ₀/R ₀=1, 预拉伸λ _pre=2的泵单元在不同电压下的 曲线图。（b）图为初始短管初始长径比L ₀/R ₀=8，预拉伸λ _pre=2的泵单元在不同电压下的 曲线图。相对于（a）图，当结构的长径比大于16（ ≥16）的时候，泵单元1在电压用下，结构非常不稳定，以至于在数值上都很难求解，以至于难以求出平衡态，参见图9 的(b)图，计算终止点在图中以x表示。而实验中对于长径比 = 40的泵单元1（如图10所示）在施加初始压强过程中，当 = 0.1时，结构发生了非对称变形，出现了局部鼓包，导致了结构失效，无法完成泵单元1的基本功能。因而长径比 = 40不适合作为蠕动泵泵单元。

图9的（c）图为短管泵单元实际装置图。初始短管长径比L ₀/R ₀=2, 预拉伸λ _pre=2的泵单元在交流电载荷下（10kV，偏置电压5kV，1Hz正弦交流电），泵单元响应图。图中High voltage为交流电波峰值10kV，Low voltage为交流电波谷值0kV。该图表现了泵单元1良好的响应性。对于预拉伸之后长径比为 = 4的泵单元1，在加入外加电激励时，泵单元1能正常工作，且在未加激励前初始压强为= 0.9时，施加电激励，泵单元1体积变化率大于70%，而进一步提高电激励电压，则泵单元1的体积变化率超过100%, 其在电压下的曲线如图9（a）所示。而有相关研究表明，对于细长囊状泵单元（长径比≥16），当壁厚较厚，例如，虽然能增加结构的稳定性，使其=0.9时也能正常工作。但是在电压作用下，其结构稳定的条件下体积变化率也小于50%。而较小的体积变化率意味着泵单元1的单次运输能力低，因而短粗囊状结构有利于提高稳定条件下泵单元的性能。

作为优选，短粗囊状结构亦即长径比在15以下有利于提高泵单元1的稳定性与单次运输能力，囊状结构壁厚在其最长维度的1/20以下。而泵单元长径比在10以下是可大幅度提高泵单元的综合性能。而作为最优选择，泵单元的长径比应在2~5之间。

综上所述，结合图9和图10，短粗囊状结构有利于提高蠕动泵的综合性能。

本发明采用智能软材料的本征应变作为泵的驱动力，结合相应的短粗囊状泵单元1结构特点，大幅度简化传统蠕动泵的机械结构，另一方面降低了运行时的噪音，提高了蠕动泵的运行可靠性，降低了运维成本。本发明所述的柔性蠕动泵可应用于在化工、采矿冶金，造纸、油漆涂料、食品、陶瓷、石油、水处理、制药、医疗器械领域。特别地，利用其结构简单特性，良好的环境适应能力，以及单次输运高性能，高效能为了在医疗行业特别是器官移植行业有较好的应用前景。

Claims (10)

1.一种柔性蠕动泵，其特征在于：所述的柔性蠕动泵包括泵单元 (1)，连接单元(2)和固定单元(3)，所述的泵单元为一个或多个，其中：

所述的泵单元(1)为至少一个开口的囊状结构，所述的囊状结构为短粗的空腔结构，构成所述囊状结构的材料为智能软材料；所述的开口用于流体的输入与输出；

所述的连接单元(2)通过所述的开口连接各个泵单元；

所述的固定单元(3)用于支撑各个泵单元；

所述的蠕动泵利用智能软材料的本征应变产生驱动力。

2.根据权利要求1所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述泵单元(1)的体积变化率≥70%。

3.根据权利要求1所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述囊状结构的最长维度的长度不超过其他维度长度的15倍。

4.根据权利要求1所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述的囊状结构为短管，所述短管的长径比为2～5。

5.根据权利要求1所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述的柔性蠕动泵为线性结构或卷曲结构。

6.根据权利要求1-5任一项所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述的囊状结构由驱动薄膜(14)构成，所述驱动薄膜(14)的两侧粘合有柔性电极(13)，所述泵单元(1)的驱动力由所述驱动薄膜(14)的收缩和舒张产生。

7.根据权利要求6所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述的泵单元(1)还进一步包括保护层(12)，所述保护层(12)与所述的驱动薄膜(14)、柔性电极(13)互相粘合，所述的保护层(12)包覆在所述柔性电极(13)的外部。

8.根据权利要求6所述的柔性蠕动泵，其特征在于：所述的驱动薄膜(14)为经过预拉伸的柔性薄膜。

9.一种流体传输系统，其特征在于：所述的流体传输系统包含多个权利要求1-9任一项所述的柔性蠕动泵，以及连接组件。

10.权利要求1-8任一项所述的柔性蠕动泵在化工、采矿冶金，造纸、油漆涂料、食品、陶瓷、石油、水处理、制药、医疗器械领域的应用。