CN107582214A - 一种人造肌纤维及人造肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人造肌纤维，包括纤维管、正电极和负电极；其中，所述纤维管由柔性材料制成，且所述纤维管内填充有液态金属和碱性溶液构成的混合液；所述正电极与负电极设于所述纤维管上，并与所述混合液连通，用于向所述混合液提供电场。本发明还提供了一种人造肌肉，包括上述的人造肌纤维。本发明通过控制正电极和负电极连通或断开，使液态金属表面生成氧化层或使氧化层溶解，进而控制液态金属的变形，模拟肌纤维的舒张或收缩；解决了现有技术中电活性聚合物材料驱动电压高、应变小和响应速度慢的问题，并降低了其使用环境限制。另一方面，其结构简单，经济性较好，拥有更好的柔性、电控性以及变形能力。

Description

一种人造肌纤维及人造肌肉

技术领域

本发明涉及人造肌肉技术领域，具体涉及一种人造肌纤维及人造肌肉。

背景技术

肌细胞亦称肌肉细胞，是动物体内能动的、收缩性的细胞的总称。肌细胞细而长，又称肌纤维(muscle fiber)，且肌纤维成束状分布，无数个束状分布的纤维共同构成了肌肉的执行单元，其能缩能舒，有着强大的执行能力，是机体器官运动的动力源泉。制造和人体肌肉相似的人造肌肉一直是科学家们研究的目标。

近年来，人造肌肉在驱动和敏感器件应用及软体机器等广泛领域都具有重要的应用前景。目前研究的人造肌肉都是由电活性聚合物材料制成，它能够在外加电场下，通过材料内部结构的改变实现伸缩、弯曲、束紧或膨胀。

然而，上述人造肌肉存在一定的局限性，如电子型电活性聚合物所需的驱动电压较高，产生的应变却较小；离子型电活性聚合物的响应速度较慢，并且只能在电解质环境中使用。因此，发展新型并具有综合优异性能的人工肌肉材料变得越来越迫切。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种人造肌纤维及人造肌肉，以解决现有技术中电活性聚合物材料驱动电压高、应变小和响应速度慢的问题，并降低其使用环境限制。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种人造肌纤维，包括纤维管、正电极和负电极；其中，所述纤维管由柔性材料制成，且所述纤维管内填充有液态金属和碱性溶液构成的混合液；所述正电极与负电极设于所述纤维管上，并与所述混合液连通，用于向所述混合液提供电场。

其中，所述纤维管的两端均设有正电极，所述负电极设于所述纤维管的管壁上。

其中，所述负电极为多个，多个所述负电极均布在所述纤维管的管壁上。

其中，所述正电极与负电极为柔性银电极。

其中，所述纤维管由高分子聚合物制成。

其中，所述纤维管的直径小于0.1mm。

其中，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。

其中，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.2mol/L。

其中，所述液态金属与所述氢氧化钠溶液的体积比为1:1。

本发明还提供一种人造肌肉，包括上述的人造肌纤维。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供的一种人造肌纤维，通过控制正电极和负电极连通或断开，使液态金属表面生成氧化层或使氧化层溶解，由于液态金属的表面张力远大于其氧化物，张力的不同会使液态金属变形，通过控制液态金属表面氧化层的生成和溶解便可以控制液态金属的大尺度变形，进而模拟肌纤维的舒张或收缩；解决了现有技术中电活性聚合物材料驱动电压高、应变小和响应速度慢的问题，并降低了其使用环境限制。另一方面，其结构简单，经济性较好，拥有更好的柔性、电控性以及变形能力。

附图说明

图1为本发明一种人造肌纤维的结构示意图；

附图标记说明

1-纤维管；2-负电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1所示，为本实施例提供的一种人造肌纤维，包括纤维管1、正电极和负电极2；其中，纤维管1由柔性材料制成，且纤维管1内填充有液态金属和碱性溶液构成的混合液；正电极与负电极2设于纤维管1上，并与混合液连通，用于向混合液提供电场。

本实施例中，纤维管1由高分子聚合物制成，且纤维管1的直径小于0.1mm。正电极与负电极2为柔性银电极。

本实施例提供的一种人造肌纤维，其基本原理阐述如下：液态金属的表面张力远大于其氧化物，张力的不同会使液态金属变形，通过控制液态金属表面氧化层的生成和溶解便可以控制液态金属的大尺度变形，进而模拟肌纤维的舒张或收缩。

模拟肌纤维的舒张：正电极与负电极2通电，靠近负电极2的液态金属表面形成氧化物的速度比远离负电极2的液态金属表面快，使得液态金属表面张力靠近负电极2下降比远离负电极2的快，故液态金属靠近电源负电极处优先发生形变扩展开来，以负电极为中心发生不对称形变。此时，液态金属呈舒展状态，对纤维管1没有力的作用。

模拟肌纤维的收缩:正电极与负电极断电，液态金属表面电化学反应形成的氧化物会溶解于碱性溶液中。液态金属表面张力随着表面氧化物的溶解而不断恢复，最终恢复成球形，表面积收缩，实现了液态金属的可逆形变。由于可逆形变是限制在纤维管1中，所以会对纤维管1产生力的作用。

进一步的，本实施例提供的一种人造肌纤维，可以通过改变碱性溶液的浓度大小，以及正电极与负电极2之间的电压大小来控制液态金属可逆形变的程度，进而模拟肌纤维不同的收缩状态。本实施例中，碱性溶液为氢氧化钠溶液，优选的浓度为0.2mol/L。液态金属与氢氧化钠溶液的体积比为1:1；正电极与负电极之间的电压为5V。

本实施例提供的一种人造肌纤维，通过控制正电极和负电极连通或断开，使液态金属表面生成氧化层或使氧化层溶解，由于液态金属的表面张力远大于其氧化物，张力的不同会使液态金属变形，通过控制液态金属表面氧化层的生成和溶解便可以控制液态金属的大尺度变形，进而模拟肌纤维的舒张或收缩；解决了现有技术中电活性聚合物材料驱动电压高、应变小和响应速度慢的问题，并降低了其使用环境限制。另一方面，其结构简单，经济性较好，拥有更好的柔性、电控性以及变形能力。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

如图1所示，纤维管1的两端均设有正电极，负电极2设于纤维管1的管壁上。本实施例中，纤维管1由柔性导电材料制成，负电极2套设在纤维管1上。具体的，通过控制负电极2与纤维管1一端的正电极连通，形成方向相反的两种电场，进而改变液态金属可逆形变的方向。

如图1所示，进一步的，负电极2为多个，多个负电极2均布在纤维管1的管壁上。由于负电极2在纤维管1上的不同距离分布，可以为液态金属可逆形变提供各种不同的选择。

本实施例提供一种人造肌纤维，通过在纤维管的两端均设置正电极，并将负电极设于纤维管的管壁上，形成方向相反的两种电场，改变了液态金属可逆形变的方向；通过设置负电极为多个，改变负电极与正电极在纤维管上的距离，为液态金属可逆形变提供各种不同的选择；进而模拟肌纤维不同的收缩状态，执行不同的功能。

实施例3：

本实施例提供一种人造肌肉，包括上述的人造肌纤维。具体的，通过对大量人造肌纤维进行聚合的方式，形成人造肌肉。本实施例中，直接将纤维管插入封装材料中，从而形成人造肌肉。其中，封装材料为高分子聚合物。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人造肌纤维，其特征在于，包括纤维管、正电极和负电极；其中，所述纤维管由柔性材料制成，且所述纤维管内填充有液态金属和碱性溶液构成的混合液；所述正电极与负电极设于所述纤维管上，并与所述混合液连通，用于向所述混合液提供电场。

2.根据权利要求1所述的人造肌纤维，其特征在于，所述纤维管的两端均设有正电极，所述负电极设于所述纤维管的管壁上。

3.根据权利要求2所述的人造肌纤维，其特征在于，所述负电极为多个，多个所述负电极均布在所述纤维管的管壁上。

4.根据权利要求3所述的人造肌纤维，其特征在于，所述正电极与负电极为柔性银电极。

5.根据权利要求1所述的人造肌纤维，其特征在于，所述纤维管由高分子聚合物制成。

6.根据权利要求1所述的人造肌纤维，其特征在于，所述纤维管的直径小于0.1mm。

7.根据权利要求1所述的人造肌纤维，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。

8.根据权利要求7所述的人造肌纤维，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.2mol/L。

9.根据权利要求8所述的人造肌纤维，其特征在于，所述液态金属与所述氢氧化钠溶液的体积比为1:1。

10.一种人造肌肉，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的人造肌纤维。