CN109249422A - 一种柔韧高强机器人皮肤制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，包含以下步骤：S1：利用等离子体设备对热塑性弹性体基体材料进行刻蚀以制备柔性弹性基体，所述柔性弹性基体的重复单元为1‑100微米，通过光刻蚀、微流控、3D打印的微纳米加工工艺、在重复单元表面引入颗粒，实现预制备好柔性基底表面的微纳米图案化。S2：将石墨烯或碳纳米管溶液喷涂在微纳米图案化的柔性基底表面，作为导电层。S3：传感器电子芯片元件上涂覆一层偶联剂，通过包埋法把表面处理过的压力传感器电子芯片原件植入到热塑性弹性体基体中。本发明的电子芯片与基体材料能有效地进行结合，有利于芯片效能的发挥，有利于扩大电子皮肤的应用范围。

Description

一种柔韧高强机器人皮肤制备方法
技术领域
本发明涉及仿生机器人制造领域，尤其涉及一种柔韧高强机器人皮肤制备方法。
背景技术
随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起。人们期待未来能够研发出与人和其他生物体更加接近的仿人仿生机器人。触觉是机器人等实现与环境直接作用的必需媒介，触觉本身有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质。触感皮肤新型可穿戴柔性且具有仿生触觉的电子皮肤，它能够赋予机器人具备人类、动物一样的触觉，使其变得更加智能化和人性化。为了覆盖机器人等复杂的三维表面和活动的关节部位，触感皮肤通常还必须具有高柔性与高弹性等性质。
目前，日本和美国的部分研究组已经报道了基于有机场效应 晶体管型、电容式和压阻式的电子皮肤，但却各有利弊，例如，刚性硅基材料的使用使得器件具有非透明和非柔性，电子芯片与基体材料不能有效结合的问题，这阻碍芯片效能的发挥，大大限制了电子皮肤的应用范围。具有柔性、高强度、高灵敏度且耐用的触感皮肤有待进一步的开发。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种柔韧高强机器人皮肤制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，包含以下步骤：
S1: 利用等离子体设备对热塑性弹性体基体材料进行刻蚀以制备柔性弹性基体，所述柔性弹性基体的重复单元为1-100微米，通过光刻蚀、微流控、3D打印的微纳米加工工艺、在重复单元表面引入颗粒，实现预制备好柔性基底表面的微纳米图案化。
S2：将石墨烯或碳纳米管溶液喷涂在微纳米图案化的柔性基底表面，作为导电层。
S3：传感器电子芯片元件上涂覆一层偶联剂，通过包埋法把表面处理过的压力传感器电子芯片原件植入到热塑性弹性体基体中。
优选地，所述S1中的热塑性弹性体基体材料为苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体或聚氨酯类热塑性弹性体。
优选地，所述S1中的刻蚀在0.1-100MPa的压力、600-2000W的功率下进行0.1-60 min。
优选地，所述S1中的重复单元为间距1-100微米的点阵、条形矩阵或条状光栅。
优选地，所述S2中的石墨烯或碳纳米管溶液的浓度为0.001-100 mg/mL。
优选地，所述S2中的导电层厚度为30-150微米。
优选地，所述S3中的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或锆类偶联剂。
本发明的有益效果：本发明的电子芯片与基体材料能有效地进行结合，有利于芯片效能的发挥，有利于扩大电子皮肤的应用范围；本发明将热塑性弹性体作为皮肤的外层，有利于增强皮肤的弹性、延展性和耐候性。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
以下热塑性弹性体简写为TPE。
实施例1
一：利用等离子体设备对苯乙烯类TPE、烯烃类TPE、二烯类TPE、氯乙烯类TPE或聚氨酯类TPE基体材料在0.1-100兆帕压力、600-2000瓦功率下刻蚀0.1-60 分钟，制备出柔性弹性基体，柔性弹性基体的重复单元为1-100微米，间距为1-100微米点阵、条形矩阵或条状光栅，然后通过光刻蚀、微流控、3D打印微纳米加工工艺在重复单元表面引入1-100nm颗粒，对预制备好柔性基底表面进行进一步微纳米图案化设计。
二：把0.001-100 mg/mL石墨烯或碳纳米管溶液喷涂在图案化基体表面上作为导电层，控制液层厚度为30-150微米。
三：传感器电子芯片元件上涂覆一层硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或锆类偶联剂，提高其与基体的相容性，通过包埋法把经表面处理过的压力传感器电子芯片原件植入到TPE基体中。
实施例2
通过点阵设计程序，首先利用等离子体设备在1000W功率，10MPa压力处理氯乙烯类TPE20分钟制得重复单元尺寸尺寸为10微米和间距为10微米点阵化表面图案化TPE基体，然后采用光刻蚀法对表面进一步微纳米加工，制得阵点上有均匀分布50 nm颗粒的微纳米图案化基体。把10mg/mL石墨烯溶液涂敷在图案化基体表面上，控制液层厚度为50微米。利用钛酸酯偶联剂处理压力传感器电子芯片，然后通过包埋将其植入TPE基体中即可制得压力敏感性柔性电子皮肤。
测试1
对用实施例2制得的样品皮肤机国外常规产品进行综合性能测试，其结果如表1
表1
由表1的检测结果可以看出：实施例2制得的产品的压力敏感度、压力检测极限、韧性、强度和耐候性均优于国内外常规产品，具有较高的市场价值。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
S1：利用等离子体设备对热塑性弹性体基体材料进行刻蚀以制备柔性弹性基体，所述柔性弹性基体的重复单元为1-100微米，通过光刻蚀、微流控、3D打印的微纳米加工工艺、在重复单元表面引入颗粒，实现预制备好柔性基底表面的微纳米图案化。
S2：将石墨烯或碳纳米管溶液喷涂在微纳米图案化的柔性基底表面，作为导电层。
S3：传感器电子芯片元件上涂覆一层偶联剂，通过包埋法把表面处理过的压力传感器电子芯片原件植入到热塑性弹性体基体中。
2.如权利要求1所述的一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：所述S1中的热塑性弹性体基体材料为苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体或聚氨酯类热塑性弹性体。
3.如权利要求1所述的一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：所述S1中的刻蚀在0.1-100MPa的压力、600-2000W的功率下进行0.1-60 min。
4.如权利要求1所述的一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：所述S1中的重复单元为间距1-100微米的点阵、条形矩阵或条状光栅。
5.如权利要求1所述的一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：所述S2中的石墨烯或碳纳米管溶液的浓度为0.001-100 mg/mL。
6.如权利要求1所述的一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：所述S2中的导电层厚度为30-150微米。
7.如权利要求1所述的一种柔韧高强机器人皮肤制备方法，其特征在于：所述S3中的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或锆类偶联剂。
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