CN105655476A - 智能水凝胶器件及其控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能水凝胶器件，包括：至少两层液态金属层、至少一层水凝胶层以及连接电极；所述液态金属层与所述水凝胶层相互交叠设置；各液态金属层分别连接所述连接电极。本发明还提供一种智能水凝胶控制装置，包括：智能水凝胶器件及控制电路；所述智能水凝胶器件通过连接电极与所述控制电路连接。本发明的智能水凝胶器件及其控制装置，通过液态金属层和水凝胶层相互交叠设置，由控制电路向液态金属层施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。由此，有效提高水凝胶在电场中的敏感性，从而扩大了控制水凝胶应激变形的范围。
Description
技术领域
本发明涉及医用材料技术领域，尤其涉及一种智能水凝胶器件及其控制装置。
背景技术
对电场敏感的智能凝胶材料在电场的刺激下可以发生溶胀、收缩或弯曲，将电能转化成机械能。电场敏感水凝胶一般由聚电解质构成，其响应性是由于溶液中自由离子在直流电场下的定向移动，从而造成凝胶内外离子浓度不均匀，产生渗透压变化而引起凝胶变形。将这种水凝胶置于电解质溶液中，在电场刺激下，凝胶会发生体积或开关变化，实现由电能到机械能的转化，因而在传感器、药物递送等医学领域以及以人工肌肉为代表的仿生材料领域有着广泛的应用前景。
但现有的凝胶始终存在导电性和动力特性仍不理想的问题，使得现有凝胶在电场中的敏感性较差，导致控制凝胶应激变形的范围受到限制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种智能水凝胶器件及其控制装置，有效提高水凝胶在电场中的敏感性，从而扩大了控制水凝胶应激变形的范围。
第一方面，本发明提供一种智能水凝胶器件，包括：至少两层液态金属层、至少一层水凝胶层以及连接电极；
所述液态金属层与所述水凝胶层相互交叠设置；各液态金属层分别连接所述连接电极。
优选地，所述液态金属层采用喷雾打印方式设置于所述水凝胶层的上表面和下表面。
优选地，所述智能水凝胶器件包括：第一液态金属层、第一水凝胶层、第二液态金属层、第二水凝胶层、第三液态金属层、第三水凝胶层及第四液态金属层；
所述水凝胶单元由上到下的顺序依次设置所述第一液态金属层、第一水凝胶层、第二液态金属层、第二水凝胶层、第三液态金属层、第三水凝胶层及第四液态金属层。
优选地，所述水凝胶为亲水性高分子水凝胶。
优选地，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银。
优选地，所述连接电极为金、银、钛或镍。
第二方面，本发明提供一种智能水凝胶控制装置，包括：上述任一所述的智能水凝胶器件及控制电路；
所述智能水凝胶器件通过连接电极与所述控制电路连接。
优选地，所述智能水凝胶器件中的各液态金属层分别通过连接电极与所述控制电路连接。
优选地，所述控制电路通过所述连接电极向所述液态金属层施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。
由上述技术方案可知，本发明的智能水凝胶器件及其控制装置，通过液态金属层和水凝胶层相互交叠设置，由控制电路向液态金属层施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。由此，有效提高水凝胶在电场中的敏感性，从而扩大了控制水凝胶应激变形的范围。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的智能水凝胶器件的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的智能水凝胶器件的结构示意图；
图3为图2中的智能水凝胶器件的形变效果图；
图4为本发明一实施例提供的智能水凝胶器件的俯视图；
图5为图4中沿A-A’方向的智能水凝胶控制装置的截面图；
图6为本发明一实施例提供的智能水凝胶控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的智能水凝胶器件，如图1所述，本实施例的智能水凝胶器件，包括：至少两层液态金属层11、至少一层水凝胶层12以及连接电极13。
所述液态金属层11与所述水凝胶层12相互交叠设置；各液态金属层11分别连接所述连接电极13。
在实际应用中，可采用喷雾打印技术，将液态金属层设置于水凝胶层的上表面和下表面。液态金属在被喷出后形成的小液滴在空气中迅速被氧化，从而保证了基底之间的润湿性，扩大了可打印的基底材料的种类。
优选地，可通过一定组合顺序的分层凝胶固化和液态金属的喷墨打印，将具有高导电性的液态金属按照一定的图案设计填充到具有电场响应的凝胶材料中。
上述的水凝胶为亲水性高分子水凝胶。例如，可采用多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)或多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)。还可为合成的亲水高分子水凝胶包括醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。
上述的液态金属可为金属或合金。例如可为金属镓、铟、锡、铋或水银；还可为上述金属的合金，如镓铟合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金等。当然，可根据实际情况选取其它合适的液态金属，本实施例不对其进行限定。
上述的连接电极可采用金、银、钛或镍等，其它适应性的连接电极本实施例不对其进行限定。
在实际应用时，可将上述的连接电极13连接控制电路，由控制电路向液态金属层施加电信号，从而使智能水凝胶器件产生形变。
本实施例的智能水凝胶器件，通过液态金属层和水凝胶层相互交叠设置，由控制电路向液态金属层施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。由此，有效提高水凝胶在电场中的敏感性，从而扩大了控制水凝胶应激变形的范围。
除如图1所示的单层水凝胶结构的智能水凝胶器件外，智能水凝胶器件还可设置为如图2所示的多层水凝胶结构的形式。
本实施例的智能水凝胶器件包括：第一液态金属层211、第一水凝胶层212、第二液态金属层213、第二水凝胶层214、第三液态金属层215、第三水凝胶层216及第四液态金属层217；
如图3所示，智能水凝胶器件由上到下的顺序依次设置第一液态金属层211、第一水凝胶层212、第二液态金属层213、第二水凝胶层214、第三液态金属层215、第三水凝胶层216及第四液态金属层217。
进一步地，上述的液态金属层211、213、215和217分别和连接电极221、222、223、224连接。
除此之外，智能水凝胶单元还可设置为双层结构、四层或五层等多层结构，根据实际需要来设置，本实施例不对其进行限定。
在实际应用中，可在上述的连接电极221、222、223、224之间的分别从低到高施加等电势差，使三层水凝胶层结构幅度相等，产生同向弯曲的形态。而在连接电极221-224之间设置中间两层液态金属的电势高，两侧的液态金属的电势低时，则智能水凝胶器件的边缘层的弯曲方向不一致，从而产生类似肌肉的功能，如图3为水凝胶单元弯曲形态下的效果图。
此外，智能水凝胶器件还可制作成如图4所示的六角结构，用来实现抓取物体的功能，沿图4中A-A’方向的智能水凝胶器件的截面图如5所示。
由此可见，本发明的智能水凝胶器件与传统的凝胶相比，增加了液态金属层的作用，将液态金属层与水凝胶层相互交叠设置，克服水凝胶导电性和动力特性不理想的问题，在仿生材料及设备领域有着非常广阔的应用前景。
本发明还提供一种包括上述任一智能水凝胶器件的智能水凝胶控制装置，如图6所示，本实施例的智能水凝胶控制装置包括：智能水凝胶器件61以及控制电路62。
其中，智能水凝胶器件61包括液态金属层611、水凝胶层612和连接电极613。
所述智能水凝胶器件61通过连接电极613与所述控制电路62连接。
智能水凝胶器件61中的各液态金属层611分别通过连接电极613与所述控制电路62连接。
在应用时，上述的控制电路62通过所述连接电极613向所述液态金属层611施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。
上述的控制电路62可采用具有设计编程功能的芯片或电路装置，使得可以灵活地在连接电极613之间产生电信号，从而使液态金属层611之间产生电压，使水凝胶单元产生相应形变。
本发明的智能水凝胶控制装置，通过液态金属层和水凝胶层相互交叠设置，由控制电路向液态金属层施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。由此，有效提高水凝胶在电场中的敏感性，从而扩大了控制水凝胶应激变形的范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种智能水凝胶器件，其特征在物，包括：至少两层液态金属层、至少一层水凝胶层以及连接电极；
所述液态金属层与所述水凝胶层相互交叠设置；各液态金属层分别连接所述连接电极。
2.根据权利要求1所述的智能水凝胶器件，其特征在于，所述液态金属层采用喷雾打印方式设置于所述水凝胶层的上表面和下表面。
3.根据权利要求1所述的智能水凝胶器件，其特征在于，包括：第一液态金属层、第一水凝胶层、第二液态金属层、第二水凝胶层、第三液态金属层、第三水凝胶层及第四液态金属层；
所述水凝胶单元由上到下的顺序依次设置所述第一液态金属层、第一水凝胶层、第二液态金属层、第二水凝胶层、第三液态金属层、第三水凝胶层及第四液态金属层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的智能水凝胶器件，其特征在于，所述水凝胶为亲水性高分子水凝胶。
5.根据权利要求1至3任一项所述的智能水凝胶器件，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银。
6.根据权利要求1至3任一项所述的智能水凝胶器件，其特征在于，所述连接电极为金、银、钛或镍。
7.一种智能水凝胶控制装置，其特征在于，所述装置包括：权利要求1至6任一项所述的智能水凝胶器件及控制电路；
所述智能水凝胶器件通过连接电极与所述控制电路连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述智能水凝胶器件中的各液态金属层分别通过连接电极与所述控制电路连接。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制电路通过所述连接电极向所述液态金属层施加电压，以使所述智能水凝胶器件产生形变。
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