CN104816295B - 一种利用电池驱动的液态金属机器及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种利用电池驱动的液态金属机器，包括：位于设置在驱动对象通道或容器中的电解液；设置于电解液中的液态金属，液态金属同时还位于设置在通道或容器的凹槽中，或者黏附在驱动对象上；以及电池；其中电池的正极与液态金属电连接而不与电解液接触，负极与电解液电连接而不与液态金属接触，利用电池的电势差使得液态金属不同位置的表面张力产生差异并进而导致其表面产生流动，再带动电解液的运动，并对液态金属的自身产生驱动力，可用于推动液态金属自身的运动或者控制电解液的流动，本发明同时提供了利用电池驱动的液态金属机器在小型泵系统以及小型混合器运动中的应用，本发明可使机器的驱动独立而不需要外界能量的持续供给，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于软体机器人技术领域，特别涉及一种利用电池驱动的液态金属机器及其应用。
背景技术
电池驱动机器有着广阔且诱人的应用前景，其不需要外部的电源连接，能够单独完成各种任务。此类微型机器(也称微型马达或者微型机器人)在药物递送、环境治理、离子探测等方面都有着广泛的应用前景。关于微型机器目前已经有多种制作方案被提出，包括纳米尺度下利用外界电磁场驱动的微型机器，以及利用化学反应产生气体以推动其在溶液中运动的微型机器等。但目前此类机器都存在着诸多问题，例如无法控制运动方向，运动轨迹多为随机；驱动力与携带能力不足；可持续时间较短(多为数秒至数分钟)；绝对运动速度较低等等，这些问题在微型机器的应用中会严重影响其实用性。
为了克服上述缺陷，目前采用的方法通过增大机器体积，使用电场、磁场、温度梯度场等外部供能方式转化为机械能。但单纯增加机器体积会导致其续航与运动速度进一步降低，而使用外场会导致微型机器对外界条件的依赖，不再可以称之为独立驱动。
因此，若能实现一种自动驱动机器的装置，将极大拓展微型机器在外部能量不便于介入时的应用范围。本发明提供一种使用电池的自动驱动机器及其制造方法。在此基础上，本发明设计了一系列相关实际应用，以说明其实际应用价值。这种电池驱动的机器相关技术从未见于文献和专利。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用电池驱动的液态金属机器及其应用，使得机器的驱动可以独立而不需要外界能量的持续供给，具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用电池驱动的液态金属机器，包括：
位于设置在驱动对象的通道或容器中的温度为20-90℃的电解液1；
设置于电解液1中的液态金属2，液态金属2同时还位于设置在所述通道或容器的凹槽中，或者黏附在驱动对象上；
以及，
电池3；其中，电池3的正极与液态金属2电连接而不与电解液1接触，负极与电解液1电连接而不与液态金属2接触，利用电池3的电势差使得液态金属2不同位置的表面张力产生差异并进而导致其表面产生流动，该现象基于马兰格尼效应。液态金属2的表面流动带动电解液1的运动，并对液态金属2的自身产生驱动力，可用于推动液态金属2自身的运动或者控制电解液1的流动。
所述电解液1采用强电解质离子溶液中的一种或多种溶液的混合，浓度在0.2mol/L～0.5mol/L范围内，所述液态金属2采用在室温条件下具有流动性的液态金属或合金材料，所述电池3采用纽扣电池或其他类型的微小电池。
例如，所述电解液1可采用NaOH溶液、HCl溶液、Na2CO3溶液或NaCl溶液中的一种或多种溶液的混合；所述液态金属2可采用镓或镓铟或镓铟锡或镓铟锡锌合金或更多其他种类液态合金，通过不同的配比使其在室温下呈液体状态。
所述驱动对象的通道可以为环形通道、U形通道、Z形通道、Y形通道或直形通道。通道的形状可以根据要求设计，而一条通道的尺寸变化则与液态金属2在驱动力作用下的变形能力有关，过小则会阻碍液态金属2向前运动。
所述电池3可直接贴附在所述液态金属2上。
本发明同时提供了利用电池驱动的液态金属机器在驱动小型泵系统运动中的应用，在小型泵系统的回路设置用于容纳液态金属2的凹槽，将电解液1注入小型泵系统回路中，将液态金属2注入所述凹槽中，将电池3的正极贴在液态金属2与小型泵系统回路相连的一侧表面上，电池3的正极与电解液1保持绝缘，同时电池3的负极与电解液1注保持接触，在电池3的电势差作用下，液态金属2局部自转，带动回路中电解液1流动实现输送，形成泵系统。
当将电池3的正极贴在液态金属2与小型泵系统回路相连的另一侧表面上，可改变小型泵系统输送液体的方向。
本发明还提供了利用电池驱动的液态金属机器在驱动小型混合器运动中的应用，在小型混合器上设置Y形通道，三个通道分支的末端分别连接一个储液槽，其中两个储液槽分别存放待混合的液体，第三个储液槽用于存放混合后的液体，通道的中心交叉点位置设置用于容纳液态金属2的凹槽，将电解液1注入Y形通道中，将液态金属2注入所述凹槽，电池3固定在液态金属2表面，电池3正极与液态金属2接触且相对于外部电解液1绝缘，电池3负极朝向所述第三个储液槽对应的通道分支，在电池3的电势差作用下，液态金属2表面产生流动，将两种待混合液体混合至所述第三个储液槽对应的通道分支中，并最终进入所述第三个储液槽形成混合后的液体。
与现有技术相比，本发明使得机器的驱动可不再依赖于外界能量的连续供给，且机器的设计简单易行，具有极大的自主能动性。可以配合具体涉及的控制芯片实现不同的驱动行为。同时选用的材料具有柔性、流动性以及适应性强的特点，拓展了机器的应用范围，具有广阔的应用前景。本技术的发展将在很大程度上推动柔性机器人与柔性驱动机器的设计以及微流道芯片技术等的发展。
附图说明
图1是本发明电池驱动的液态金属机器在环形通道内运动示意图。
图2是本发明自驱动型液态金属机器驱动小型泵系统回路中溶液输送示意图。
图3是本发明自驱动型液态金属机器驱动小型混合器中溶液混合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。
本发明一种电池驱动液态金属机器，包括预设浓度的加热到20-90℃的电解液1，放置于电解液1中的液态金属2，置于液态金属2上的电池3；使用时，将电解液1置于驱动对象的通道中或容器中，同时将液态金属2置于驱动对象的通道的凹槽中或粘附在驱动对象上，电池3吸附在液态金属2上，通过电势差引发液态金属表面的流动，进而在电解液1中产生涡流，当流动强度足够大时即可推动液态金属及其驱动对象前行。电解液1的浓度会影响其导电性能，进而对液态金属2表面电势差产生影响，当电解液1的浓度越大时，液态金属机器的运动速度越快。
实施例1：
如图1所示，本实施例以环形通道内电池驱动液态金属机器的运动为例进行描述。
1.配置特定浓度的电解液1，将电解液1水浴升温至60℃以加快液态金属驱动的开启，然后将其注入到环形通道内。
2.将液态金属2与电池3的正极接触，同时电池3的正极进行密封，避免其接触电解液1，而电池3的负极暴露，可以与电解液1进行接触。将液态金属2与电池3放入环形通道的电解液1中，就可以利用电池3的电能推动整个液态金属机器运动。运动方向与电池3相对于液态金属2的方向相反。
实施例2：
如图2所示，本实施例以自驱动型液态金属机器驱动自身运动以输送溶液形成小型泵系统为例进行描述。
1.配置的特定浓度的电解液1，将电解液1水浴升温至60℃左右，然后将溶液用注射器注入小型泵系统的回路中。
2.将液态金属2置于回路中用于容纳液态金属的位点即凹槽处，电池3置于液态金属2的一端，电池3的正极与液态金属2相接触且通过密封措施与电解液1隔绝。在电势差的作用下，液态金属2表面产生流动，进而带动周围电解液1的流动，产生流体作用力，形成小型泵系统。流体运动方向为从液态金属2端流向电池3端，如图2所示。如果改变电池3相对于液态金属2的位置，将电池3置于液态金属2的另一端，则泵系统的作用力反向，流体运动方向也会相应改变。
上述小型泵系统可使用聚乳酸(PLA)或ABS树脂材料，采用3-D打印机打印出闭合的回路槽道，回路中包括一个用于容纳液态金属2且限制液态金属机器往前运动的位点。
实施例3：
如图3所示，本实施例以电池驱动的液态金属机器驱动自身表面运动以混合溶液形成小型混合器为例进行描述。
首先，在小型混合器上设置有Y形通道，三个通道分支的末端分别连接一个储液槽，其中两个储液槽分别存放待混合的液体，第三个储液槽用于存放混合后的液体，通道的中心交叉点位置设置用于容纳液态金属2的凹槽。其过程如下：
1.将电解液1注入Y形通道中，将一定量的液态金属2注入该凹槽处，将电池3固定在液态金属2表面上，电池3正极与液态金属2接触且相对于外部电解液1绝缘，电池3负极朝向所述第三个储液槽对应的通道分支。
2.将待混合的溶液分别注入两个储液槽中，在重力与液体自身的扩散性共同作用下，两种待混合的液体会自然流动至混合器的Y形通道交点位置，浸没液态金属2表面之后，在电池3的电势差作用下，液态金属2表面产生流动，将两种待混合液体混合至所述第三个储液槽对应的通道分支中，并最终进入所述第三个储液槽形成混合后的液体。带混合的液体以及混合后的液体与电解液1在混合器的作用下会逐渐融合，不分彼此。
本例中所述的小型混合器是用聚乳酸(PLA)或ABS树脂材料，采用3-D打印机打印出一个混合连通槽道。此槽道包含三个圆形的储液槽，储液槽之间通过Y形通道相连，Y形通道的每一个通道分别与一个储液槽相通，两个储液槽用于存储待混合的溶液，第三个储液槽用于存储混合后的溶液，各个通道从储液槽所在端向交点所在端略降低高度，以便于待混合液体在重力作用下的运动。
对于实施例1，液态金属2的用量以及电池3的尺寸对液态金属机器的运动性能有很大的影响。当液态金属2用量过少时，由于液态金属2表面积减小，使得产生的对电解液1的作用力减小，进而导致很难推动液态金属机器前进。而如果液态金属的2用量过多，则会导致液态金属机器本身的重量过重，降低自身运动速度，同时其形态也会更难控制。电池3的选择通常选用微型纽扣电池，需要在尽可能小的体积下提供尽可能大的电压以及电池容量。如果电池3的体积及重量过大也会对液态金属机器的驱动能力产生影响，降低其性能。
对于实施例1～3，电解液1的类型及浓度也将会影响液态金属驱动的性能。电解液1的类型与浓度会影响到溶液的导电性能，同时也会对液态金属2的表面张力以及化学成分产生影响，进而对最终驱动效果产生一定的作用。
最后需要进行说明的是，以上所提出的基于液态金属2和电池3将化学能转化为动能进而自动驱动自身系统或其它物体进行运动的实施例仅用于说明本技术可以使用的方案，并非仅限于这几种案例。尽管本发明中对三种实施例进行了详细的说明，但是自动化控制系统领域的技术人员都应当理解，对本发明使用液态金属进行自动驱动运动或带动其它物体运动的技术方案进行修改或者同等替换，都未脱离本技术方案的精神范围，都应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，包括：
位于设置在驱动对象的通道或容器中的温度为20-90℃的电解液(1)；
设置于电解液(1)中的液态金属(2)，液态金属(2)同时还位于设置在所述通道或容器的凹槽中，或者黏附在驱动对象上，所述液态金属(2)采用镓合金，液态金属(2)在室温下呈液体状态；
以及，
电池(3)；其中，电池(3)的正极与液态金属(2)电连接而不与电解液(1)接触，负极与电解液(1)电连接而不与液态金属(2)接触。
2.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述电解液(1)采用强电解质离子溶液中的一种或多种溶液的混合，浓度在0.2mol/L～0.5mol/L范围内所述电池(3)采用纽扣电池。
3.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述电解液(1)采用NaOH溶液、HCl溶液、Na2CO3溶液或NaCl溶液中的一种或多种溶液的混合。
4.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述液态金属(2)采用镓铟合金。
5.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述液态金属(2)采用镓铟锡合金。
6.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述液态金属(2)采用镓铟锡锌合金。
7.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述驱动对象的通道为环形通道、U形通道、Z形通道、Y形通道或直形通道。
8.根据权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器，其特征在于，所述电池(3)贴附在所述液态金属(2)上。
9.一种应用权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器驱动的小型泵系统，其特征在于，在小型泵系统的回路设置用于容纳液态金属(2)的凹槽，将电解液(1)注入小型泵系统回路中，将液态金属(2)注入所述凹槽中，将电池(3)的正极贴在液态金属(2)与小型泵系统回路相连的一侧表面上，电池(3)的正极与电解液(1)保持绝缘，同时电池(3)的负极与电解液(1)保持接触，在电池(3)的电势差作用下，液态金属(2)局部自转，带动回路中电解液(1)流动实现输送，形成泵系统。
10.根据权利要求9所述小型泵系统，其特征在于，将电池(3)的正极贴在液态金属(2)与小型泵系统回路相连的另一侧表面上，以改变小型泵系统输送液体的方向。
11.一种应用权利要求1所述利用电池驱动的液态金属机器驱动的小型混合器，其特征在于，在小型混合器上设置Y形通道，三个通道分支的末端分别连接一个储液槽，其中两个储液槽分别存放待混合的液体，第三个储液槽用于存放混合后的液体，通道的中心交叉点位置设置用于容纳液态金属(2)的凹槽，将电解液(1)注入Y形通道，将液态金属(2)注入所述凹槽，电池(3)固定在液态金属(2)表面，电池(3)正极与液态金属(2)接触且相对于外部电解液(1)绝缘，电池(3)负极朝向所述第三个储液槽对应的通道分支，在电池(3)的电势差作用下，液态金属(2)表面产生流动，将两种待混合液体混合至所述第三个储液槽对应的通道分支中，并最终进入所述第三个储液槽形成混合后的液体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |