CN108281542B - 一种仿生人工驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生人工驱动装置，包括支撑基板，第一绝缘层，第一电极，介电弹性体，第二电极和第二绝缘层，其中所述支撑基板具有对称性分布的四个花瓣状结构，所述四个花瓣状结构通过中间的连接区域连接,以及，电连接至第一电极和第二电极的驱动电源。针对常用的仿生人工驱动装置中通常包含支撑框架和形变单元，其中形变单元由介电弹性体和驱动电极构成，但是支撑框架通常位于形变单元的周围，影响驱动装置的驱动自由性，本发明提供了一种仿生人工驱动装置，提高了装置的自由性和稳定性。

Description

一种仿生人工驱动装置
技术领域
本发明涉及驱动装置领域，具体涉及一种仿生人工驱动装置。
背景技术
目前，由介电弹性体制成的致动器正在激发人们的注意力由于其卓越的机电性，对介电弹性体领域的兴趣日益浓厚属性。
介电弹性体代表了所谓的“智能”的广泛家族材料是能够转换电能的能源机械形式，反之亦然。作为致动材料，介电弹性体被显着地研究需要大的机械顺从性，有效的可缩放性，高功率重量和功率体积比和高效率，通常排除传统的致动技术(静电，电磁，液压，气动和热化学电)。介电弹性体由能够改变尺寸和/或形状的材料组成对适时电刺激的反应。基于介电弹性体的执行器显示有用性质，例如相当大的活动应变和/或响应于电的应力刺激，机械灵活性高，重量轻，结构合理简单和多功能性，易于材料处理，可扩展性，无声噪音，不产生热量，在大多数情况下，成本低。这些属性正被用于几种应用。用法跨越从微到医疗和触觉设备等不同部门的宏观规模，消费电子，自动化和机器人系统。例如，用于微流体系统的微型泵和微型阀，用于医疗的活性化合物的受控释放治疗装置，手术小型化用于医疗介入系统的工具，小型化植入式致动器作为人造器官的组成部分，机器人系统，变刚度装置(例如用于与机器人相互作用的机器人致动器)人类和车辆的减震器)，矫形矫形器系统(例如手和肢体矫形器)，用于宏观流体的泵和阀门系统(例如用于低压液压和气动)，可调镜头自适应光学(例如用于照相手机)和用于触觉系统的触觉显示器。
介电弹性体被分为两大类：离子介电弹性体和电子介电弹性体。具体的分类为：-离子型介电弹性体：聚电解质凝胶(如改性聚(丙烯腈))，离子型聚合物金属复合材料，导电聚合物(如聚吡咯和聚苯胺和碳纳米管)；-电子介电弹性体：电致伸缩聚合物，介电弹性体(如硅树脂)和挠性电聚合物。
介电弹性体材料由具有低弹性的介电聚合物组成模量，其可以呈现显着的电诱导应变。尤其是，介电弹性体致动器由绝缘橡胶状薄层组成材料夹在两个柔性电极，它们通过高压差进行充电。在电激活之后，材料经历电场-恒定体积持续变形，由厚度挤压组成和相关的表面扩展(图1)。这种变形主要是由于库仑效应引起的无电极电荷之间的静电相互作用。在常用的仿生人工驱动装置中通常包含支撑框架和形变单元，其中形变单元由介电弹性体和驱动电极构成，但是支撑框架通常位于形变单元的周围，影响驱动装置的驱动自由性，同时驱动电极通常通过直接覆盖于介电弹性体层之上容易产生剥离影响期间稳定性。
基于此，本申请提供一种具有较高驱动自由性的仿生人工驱动装置。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种仿生人工驱动装置，以解决现有技术中支撑框架通常位于形变单元的周围，影响驱动装置的驱动自由性，同时驱动电极通常通过直接覆盖于介电弹性体层之上容易产生剥离影响期间稳定性等问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案能够实现将支撑单元设置于形变单元之下，避免支撑单元对于形变单元自由度的影响，通过将被驱动单元连接至支撑单元的中间区域实现驱动装置在多个维度上对于支撑单元的自由驱动，以及通过选用具有网络结构的金属纳米线作为电极，提高了电极的可延展性，避免了在形变单元发生形变时电极无法发生相同延展导致的电极脱落的问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种仿生人工驱动装置，包括：支撑基板，第一绝缘层，第一电极，介电弹性体，第二电极和第二绝缘层，其中所述第一电极和所述第二电极分别位于所述介电弹性体的两侧，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分别位于所述第一电极和所述第二电极远离所述介电弹性体的一侧，其中所述支撑基板具有对称性分布的四个花瓣状结构，所述四个花瓣状结构通过中间的连接区域连接，每个所述花瓣状结构的靠近所述连接区域的中心最窄处与远离所述连接区域的最宽处的宽度比例为1：1.4，其中，将花瓣状结构设置为上述特定比例范围内的形状时，可以通过中心较窄区域的低弹性提高花瓣远离连接区域的头部的灵活性，实现在较小的驱动电压下获得较大的移动范围，但是在上述宽度比例范围以下时会导致连接区域附近的部分相对硬度过低，无法稳定支撑花瓣头部区域，相反在上述宽度比例范围以上时，会导致连接区域附近的部分相对硬度过高，影响支撑花瓣头部区域的灵活性。
其中，所述支撑基板的材料为聚碳酸脂，所述聚碳酸脂厚度为100-150微米，介电弹性体的厚度与支撑基板的厚度比例为5:1至3.5：1。
其中，所述第一和所述第二电极具有银纳米线网络结构，并在相同投影区域的表面积比介电弹性体面积大。
以及，设置在所述第一绝缘层和所述第一电极之间的第一导电纳米粘结单元，设置在所述第二绝缘层和所述第二电极之间的第二导电纳米粘结单元，通过所述第一导电纳米粘结单元和第二导电纳米粘结单元将所述第一电极和所述第二电极电连接至驱动电源。通常可以采用纳米银颗粒银胶作为导电粘结材料，可以同时保证导电性和可弯折性。
其中，所述仿生人工驱动装置的可见光透光率为50％以上。
其中，所述第一电极和所述第二电极采用金-银纳米线混合网络。
其中，所述支撑基板的四个花瓣状区域中，每一个花瓣状区域中独立的形成独立的介电弹性体薄膜，以及与所述独立的介电弹性体薄膜对应的一组第一电极和第二电极。
其中，所述支撑基板的四个花瓣状区域中，每一个花瓣状区域中独立的形成独立的介电弹性体薄膜，以及与所述独立的介电弹性体薄膜对应的一组第一电极和第二电极。
其中，所述每一组独立的第一电极和第二电极均通过独立的电源驱动。
综上所述，本发明提供了一种仿生人工驱动装置，通过将被驱动单元连接至支撑单元的中间区域实现驱动装置在多个维度上对于支撑单元的自由驱动，以及通过选用具有网络结构的金属纳米线作为电极，提高了电极的可延展性，避免了在形变单元发生形变时电极无法发生相同延展导致的电极脱落的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的介电弹性体材料的工作原理示意图；
图2是本发明的花瓣状支撑衬底的形状示意图；
图3是本发明的各功能层的局部剖面图。
附图标记说明如下：
1、支撑衬底；2、第一绝缘层；3、第一电极；4、介电弹性体薄膜；5、第二电极；6、第二绝缘层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供的一种仿生人工驱动装置，包括：支撑基板1，第一绝缘层2，第一电极3，介电弹性体4，第二电极5和第二绝缘层6；如图2所示，其中所述支撑基板1具有对称性分布的四个花瓣状结构，所述四个花瓣状结构通过中间的连接区域连接，每个所述花瓣状结构的靠近所述连接区域的中心最窄处与远离所述连接区域的最宽处的宽度比例为1：1.4；如图3所示，其中所述第一电极3和所述第二电极5分别位于所述介电弹性体4的两侧，所述第一绝缘层2和所述第二绝缘层6分别位于所述第一电极3和所述第二电极5远离所述介电弹性体4的一侧，以及，设置在所述第一绝缘层2和所述第一电极3之间的第一导电纳米粘结单元，设置在所述第二绝缘层6和所述第二电极5之间的第二导电纳米粘结单元，通过所述第一导电纳米粘结单元和第二导电纳米粘结单元将所述第一电极和所述第二电极电连接至驱动电源。其中，首先在预拉伸的介电弹性体4的上下表面制备电极层和绝缘层，其中银纳米线网络构成的电极层具有非平面的波浪状结构，而后将介电弹性体4覆盖到具有花瓣状结构的支撑基板1上，使介电弹性体4共形的覆盖支撑基板1，并去除支撑基板1以外的介电弹性体4。具体的实施方式如下。
实施例1
如图3所示，一种仿生人工驱动装置，具有如下结构，依次层叠的支撑基板1，第一绝缘层2，第一电极3，介电弹性体4，第二电极5和第二绝缘层6。其中，支撑基板的材料为聚碳酸脂，所述聚碳酸脂厚度为100微米，介电弹性体的厚度与支撑基板的厚度比例为5:1，花瓣状结构的靠近所述连接区域的中心最窄处与远离所述连接区域的最宽处的宽度分别为2cm和2.8cm。
实施例2
如图3所示，一种仿生人工驱动装置，具有如下结构，依次层叠的支撑基板1，第一绝缘层2，第一电极3，介电弹性体4，第二电极5和第二绝缘层6。其中，支撑基板的材料为聚碳酸脂，所述聚碳酸脂厚度为100微米，介电弹性体的厚度与支撑基板的厚度比例为4:1，花瓣状结构的靠近所述连接区域的中心最窄处与远离所述连接区域的最宽处的宽度分别为2cm和2.8cm。
实施例3
如图3所示，一种仿生人工驱动装置，具有如下结构，依次层叠的支撑基板1，第一绝缘层2，第一电极3，介电弹性体4，第二电极5和第二绝缘层6。其中，支撑基板的材料为聚碳酸脂，所述聚碳酸脂厚度为100微米，介电弹性体的厚度与支撑基板的厚度比例为3.5:1，花瓣状结构的靠近所述连接区域的中心最窄处与远离所述连接区域的最宽处的宽度分别为2cm和2.8cm。经对比上述实施例1-3，在介电弹性体的厚度与支撑基板的厚度比例为4:1时，可获得最大的电压-形变驱动比例。
以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种仿生人工驱动装置，包括：支撑基板，第一绝缘层，第一电极，介电弹性体，第二电极和第二绝缘层，其中所述第一电极和所述第二电极分别位于所述介电弹性体的两侧，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分别位于所述第一电极和所述第二电极远离所述介电弹性体的一侧，其中所述支撑基板具有对称性分布的四个花瓣状结构，所述四个花瓣状结构通过中间的连接区域连接，每个所述花瓣状结构的靠近所述连接区域的中心最窄处与远离所述连接区域的最宽处的宽度比例为1：1.4；
其中，所述支撑基板的材料为聚碳酸脂，所述聚碳酸脂厚度为100-150微米，介电弹性体的厚度与支撑基板的厚度比例为5:1至3.5：1；
其中，所述第一电极和所述第二电极具有银纳米线网络结构，并在相同投影区域的表面积比介电弹性体面积大；
以及，设置在所述第一绝缘层和所述第一电极之间的第一导电纳米粘结单元，设置在所述第二绝缘层和所述第二电极之间的第二导电纳米粘结单元，通过所述第一导电纳米粘结单元和第二导电纳米粘结单元将所述第一电极和所述第二电极电连接至驱动电源。
2.如权利要求1所述的一种仿生人工驱动装置，其特征在于， 所述仿生人工驱动装置的可见光透光率为50%以上。
3.如权利要求1或2所述的一种仿生人工驱动装置，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极采用金-银纳米线混合网络。
4.如权利要求1所述的一种仿生人工驱动装置，其特征在于，所述支撑基板的四个花瓣状区域中，每一个花瓣状区域中独立的形成独立的介电弹性体薄膜，以及与所述独立的介电弹性体薄膜对应的独立第一电极和独立第二电极。
5.如权利要求3所述的一种仿生人工驱动装置，其特征在于，所述支撑基板的四个花瓣状区域中，每一个花瓣状区域中独立的形成独立的介电弹性体薄膜，以及与所述独立的介电弹性体薄膜对应的独立第一电极和独立第二电极。
6.如权利要求5所述的一种仿生人工驱动装置，其特征在于，每一组独立第一电极和独立第二电极均通过独立的电源驱动。
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