CN108274450A - 一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构 - Google Patents

一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构 Download PDF

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俞思航
刘益伦
刘爱萍
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Abstract

本发明公开了一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构，由若干个矩形单元排列组合而成，所述矩形单元具有正反两面，以中心线为界左右对称；所述矩形单元下半部分的正反面均设有矩形的感光贴片，正面的第一感光贴片固定于相邻两矩形单元的交界线上，反面的第二感光贴片固定于矩形单元的中心线上；所述感光贴片在光照下向背离矩形单元一侧弯折，带动矩形单元的下半部分沿中心线、相邻两矩形单元的交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折。本发明采用光驱动，响应速度快，以不会发生形变的三角形平面单元和两个相邻平面单元的连接线为转动副，精确控制结构的折叠和展开过程。

Description

一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域，特别涉及一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构。
背景技术
柔性机器人技术在过去十年内取得了突飞猛进的进展。世界各地的研究人员都试验过不同的材料和设计，从而让刚性的机器人以更自然的方式弯曲和与人类进行互动。然而，增强机器人的灵活性往往意味着在力量上的妥协，因为较柔软的材料一般不如刚性材料具有较高的强度，这也限制了柔性机器人的使用。
而受高强度折纸结构的启发，结合现代应用设计了各种自折叠结构和装置，包括远程控制机器人、微流控化学分析、组织工程、人造肌肉等。其在实际生活和科研中也具有多种应用的可能，例如降落伞的折叠、太空探测器太阳能电池板的设计、安全气囊的结构，以至DNA、蛋白质等生物大分子的空间折叠问题。
自折叠的折纸结构正在科技创新的前沿迅速兴起，因为它们能够执行程序化的折叠/展开运动而不受外力或力矩的运动操纵。折纸结构的人工肌肉可以定制成任何形状，并举起超过自身重量无数倍的物品，有望为无数的机器和机器人提供安全且强大的动力，然而人工肌肉的设计、制造、及执行常常受到材料的成本、工作原理、可伸缩性、及单自由度收缩运动等因素的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够充当人工肌肉的基于光驱动弯曲折叠的折纸结构。
为此，本发明的技术方案是：一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构，由若干个矩形单元排列组合而成，所述矩形单元为具有正反两面的薄片结构，矩形单元以中心线为界左右对称，矩形单元上的折痕包括中心线以及左右两侧上相交的对角线；所述矩形单元下半部分的正反面均设有矩形的感光贴片，感光贴片的底边与矩形单元的底部重合，正面的第一感光贴片固定于相邻两矩形单元的交界线上，第一感光贴片的两个顶点分别落于相邻两矩形单元上距离最近的两对角线上，反面的第二感光贴片固定于矩形单元的中心线上，第二感光贴片的两个顶点分别落于同一矩形单元两侧的对角线上；所述感光贴片在光照下向背离矩形单元一侧弯折，带动矩形单元的下半部分沿中心线、相邻两矩形单元的交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折。
优选地，所述矩形单元由还原氧化石墨烯制成，感光贴片由氧化石墨烯和聚多巴胺的混合物制成。
优选地，所述感光贴片与矩形单元的底部贴合，正面的第一感光贴片与反面的第二感光贴片的大小相同；正面的第一感光贴片的两个顶角分别落于相邻两矩形单元上距离最近的两对角线的中点上，反面的第二感光贴片的两个顶点分别落于同一矩形单元两侧对角线的中点上。
优选地，光照强度变化时，所述感光贴片带动整体矩形单元在完全展开的平面状态与向下弯曲折叠的立体状态之间变换。
本发明所述的折纸结构可以用3D打印技术完成，先打印一层GO（氧化石墨烯）的矩形单元，然后在矩形单元的正反面打印GO-PDA（氧化石墨烯和聚多巴胺的混合物）层的感光贴片，将其放入HI（氢碘酸）中洗涤，使GO的矩形单元还原成rGO（还原氧化石墨烯），最后人工折出预期想要的折痕。感光贴片GO-PDA层是由亲水的GO和PDA片组成，它对温度变化非常敏感，温度升高后，GO-PDA层失水，从而具有很好的吸水能力；当温度降低时，GO-PDA层吸水，具有很好的失水能力。与之相反，温度的改变对矩形单元的rGO层几乎不产生影响。在环境温度变化期间，正是因为吸水/失水能力的差异，导致GO-PDA层和rGO层的膨胀/收缩不匹配，使得GO-PDA层的体积改变，并且产生界面应力以引起整体复合结构的弯曲/不弯曲。因此，折纸结构在未受到光照时，处于平直状态，受到光照的刺激时，各个矩形单元会受感光贴片的弯曲带动后有序向下弯曲翻折，从一个二维平面状态，翻折成三维状态。
本发明以不会发生形变的三角形平面单元和两个相邻平面单元的连接线为转动副，可以做到对结构的折叠和展开过程精确控制；仅具有一个刚性自由度的机构，更是降低了结构展开和折叠的复杂程度；整体采用光驱动，响应速度快，整体方法简单，加工方便，可以将结构设计得非常小，非常薄，而且质量也非常轻。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明处于展开状态的A面结构示意图；
图2为本发明处于展开状态的B面结构示意图；
图3为本发明rGO与GO-PDA构成的复合结构工作原理示意图；
图4为本发明处于折叠状态的A面结构示意图；
图5为本发明处于折叠状态的B面结构示意图。
图中标记为：矩形单元1、第一感光贴片21、第二感光贴片22、复合结构上层31、复合结构下层32、小圆珠33、中心线S1、对角线S2\S3、交界线S4。
具体实施方式
参见附图。本实施例所述的折纸结构由若干个矩形单元1排列组合而成，所述矩形单元为AB（正反）两面的薄片结构，矩形单元以中心线S1为界左右对称，矩形单元上的折痕包括中心线S1以及左右两侧上相交的对角线S2\S3，两侧的对角线S2\S3与矩形单元的底边组成等腰三角形，中心线正好是底边上的高，相邻两矩形单元上距离最近的对角线与矩形单元的顶边组成一个倒等腰三角形，相邻两矩形单元的交界线S4正好顶边上的高。矩形单元上的对角线为谷折痕，沿对角线朝A面弯折，对角线位于A面凹下去的底端；中心线和相邻两矩形单元的交界线为山折痕，沿中心线和交界线朝B面弯折，中心线和交界线位于A面凸起的顶端。
所述矩形单元下半部分的AB两面均设有矩形的感光贴片，感光贴片与矩形单元的底部贴合，A面的第一感光贴片与B面的第二感光贴片的大小相同；A面的第一感光贴片21固定于相邻两矩形单元的交界线S4上，第一感光贴片的两个顶点P1\P2分别落于相邻两矩形单元上距离最近的两对角线的中点上；B面的第二感光贴片22固定于矩形单元的中心线S1上，第二感光贴片的两个顶点P3\P4分别落于同一矩形单元两侧的对角线的中点上；所述感光贴片在光照下向背离矩形单元一侧弯折，带动矩形单元的下半部分沿中心线、交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折。
本实施例所述的折纸结构可以用3D打印技术完成，先打印一层GO（氧化石墨烯）的矩形单元，然后在矩形单元的正反面打印GO-PDA（氧化石墨烯和聚多巴胺的混合物）层的感光贴片，将其放入HI（氢碘酸）中洗涤，使GO的矩形单元还原成rGO（还原氧化石墨烯），最后人工折出预期想要的折痕。
如图3所示，复合结构由两个矩形条状结构聚合而成，复合结构中的上层31为rGO（还原氧化石墨烯），下层32为GO-PDA（氧化石墨烯和聚多巴胺的混合物），下层的小圆珠33为水分子，复合结构处于为未受到光照时，处于平直状态；当复合结构受到光照的刺激时，下层GO-PDA失水，处于弯曲状态。感光贴片的GO-PDA层是由亲水的GO和PDA片组成，它对温度变化非常敏感，温度升高后，GO-PDA层失水，从而具有很好的吸水能力；当温度降低时，GO-PDA层吸水，具有很好的失水能力。与之相反，温度的改变对矩形单元的rGO层几乎不产生影响。在环境温度变化期间，正是因为吸水/失水能力的差异，导致GO-PDA层和rGO层的膨胀/收缩不匹配，使得GO-PDA层的体积改变，并且产生界面应力以引起整体复合结构的弯曲/不弯曲。
因此，折纸结构的感光贴片在未受到光照时，处于平直状态，受到光照的刺激时，带动整体结构下半部分沿中心线、交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折，表现为各个矩形单元在感光贴片的带动下有序向下弯曲翻折，由于矩形单元的上半部分没有感光贴片的作用，从一个原本二维平面状态，弯曲翻折成弧形的三维状态，下半部分折叠时形成在外界环境光强改变时，完成折纸结构的展开和弯曲折叠运动。

Claims (4)

1.一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构，其特征在于：由若干个矩形单元排列组合而成，所述矩形单元为具有正反两面的薄片结构，矩形单元以中心线为界左右对称，矩形单元上的折痕包括中心线以及左右两侧上相交的对角线；所述矩形单元下半部分的正反面均设有矩形的感光贴片，感光贴片的底边与矩形单元的底部重合，正面的第一感光贴片固定于相邻两矩形单元的交界线上，第一感光贴片的两个顶点分别落于相邻两矩形单元上距离最近的两对角线上，反面的第二感光贴片固定于矩形单元的中心线上，第二感光贴片的两个顶点分别落于同一矩形单元两侧的对角线上；所述感光贴片在光照下向背离矩形单元一侧弯折，带动矩形单元的下半部分沿中心线、相邻两矩形单元的交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折。
2.如权利要求1所述的一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构，其特征在于：所述矩形单元由还原氧化石墨烯制成，感光贴片由氧化石墨烯和聚多巴胺的混合物制成。
3.如权利要求1所述的一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构，其特征在于：所述感光贴片与矩形单元的底部贴合，正面的第一感光贴片与反面的第二感光贴片的大小相同；正面的第一感光贴片的两个顶角分别落于相邻两矩形单元上距离最近的两对角线的中点上，反面的第二感光贴片的两个顶点分别落于同一矩形单元两侧对角线的中点上。
4.如权利要求1所述的一种基于光驱动弯曲折叠的折纸结构，其特征在于：光照强度变化时，所述感光贴片带动整体矩形单元在完全展开的平面状态与向下弯曲折叠的立体状态之间变换。
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