CN109571493B - 基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人包括：液滴软体(1)；以及柔性电子集成器件(2)，浮于所述液滴软体(1)表面或内部，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人可以根据所处的地理环境，利用液滴软体自身流动性、亲润性和粘滞性等特点，自由、任意的和无限制的改变其结构和外观，实现复杂环境下软体机器人形状自适应，再通过表面悬浮的柔性电子集成器件，实现多种信号的测量(温度、湿度、光强、应力、葡萄糖等)，还具有能量采集、控制和数据传输功能。

Description

基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法

技术领域

本技术公开涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法。

背景技术

在现代军事战争、反恐和安全等领域，各类机器人正在发挥重要的角色。具有排险、探伤、侦查和作战能力的机器人获得了广泛的研究和应用。一些传统机器人的开发是基于动物的运动特点和形态，具备了多自由度运动和精准姿态控制的能力。新兴的机器人采用了柔性的材质，因此也被成为软体机器人。这些软体机器人身体内部大多包含有微流体通道的结构，使用气体、液体、化学反应等手段进行驱动，具有一定的军事应用前景。然而无论是当前的军事机器人还是研究中的软体机器人，它们大多是在原有设计外观的基础上实现弯曲、扭转和部分形变等变化。它们结构和形态都相对固定，无法彻底改变以满足复杂的任务环境和各种未知的应用场景中的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法，以缓解现有技术中软体机器人是在原有设计外观的基础上实现弯曲、扭转和部分形变等变化，结构和形态都相对固定，无法彻底改变以满足复杂的任务环境和各种未知的应用场景中的需求等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人，包括：液滴软体1；以及柔性电子集成器件2，浮于所述液滴软体1表面或内部。

在本公开实施例中，所述液滴软体1为基液3或为基液3与表面活性剂4以及超顺磁纳米颗粒5组成的纳米磁流体。

在本公开实施例中，所述基液3，包括：去离子水、磷酸缓冲溶液PBS、水凝胶或油等液体中的一种。

在本公开实施例中，所述表面活性剂4，包括：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、油酸、柠檬酸、氢氧化四甲基铵或大豆卵磷脂有机溶液中一种。

在本公开实施例中，所述超顺磁纳米颗粒5，粒径为10～200nm，包括：Fe₃O₄、Au/Fe₃O₄、吸附有碳纳米管或石墨烯的Fe₃O₄、吸附有碳纳米管或石墨烯的Au/Fe₃O₄中的至少一种。

在本公开实施例中，所述柔性电子集成器件2，包括：柔性基底6；功能检测模块，集成于所述柔性基底6上，用于对所处环境中温度、湿度、光强、应力强度、葡萄糖浓度、离子信号、电磁波信号等多种信号进行检测；所述功能检测模块包括：传感器模块；以及无线LED发光模块，用于无线采集环境中的电磁波能量，驱动LED发光，并给所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人供电；以及绝缘层，位于所述功能检测模块上，包括聚酰亚胺树脂、环氧树脂或BCB树脂中至少一种，厚度小于2μm。

在本公开实施例中，所述柔性基底6，包括：基底层，厚度小于2μm，包括聚酰亚胺、派瑞林或PET薄膜任意一种；铜膜，厚度小于3μm，位于所述基底层上；以及Ti/Au薄膜，厚度小于25nm，位于所述铜膜上。

在本公开实施例中，所述传感器模块，包括：湿度传感器11，由同心圆双电极构成，通过检测双电极间阻抗值的变化来反映环境湿度的变化；温度传感器12，由弯曲微细矩形导线构成，通过检测导线电阻值的改变来反映环境温度的变化；葡萄糖传感器14，由同心圆三电极构成，分别为对电极、参比电极和工作电极，通过检测三电极氧化还原反应中电流的大小和变化来检测物葡萄糖浓度大小；应力传感器15，由L型单臂碳纳米管电极构成，用于检测所述基于液滴的无定形态仿生软体机器的运动状况；以及光强传感器16，由超薄光敏三极管构成，通过检测集电极与发射极之间的电流变化来反映环境光的强度变化。

在本公开实施例中，所述无线LED发光模块，包括：平面螺旋线圈7，为螺旋形线圈，通过电磁耦合原理将环境中的电磁场信号转化为交变电信号；整流二极管8，厚度小于10μm，与所述平面螺旋线圈7相连，通过二极管的单向导通性将交变电信号转化为直流电信号；极板电容9，与所述整流二极管8相连，包括上电极和下电极，用于对直流电信号进行滤波，产生平稳直流电信号；以及薄膜LED10，厚度小于10μm，用于实时验证无线能量采集情况或根据选择不同发光颜色的LED作为生物学研究的激发光源。

在本公开的另一个方面，还提供一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法，用于制备以上任一项所述的基于液滴的无定形态仿生软体机器人，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法，包括：步骤S1：制备液滴软体1；步骤S2：制备柔性电子集成器件2，包括：步骤S21：制备柔性基底6；步骤S22：在步骤S21所制备的柔性基底6上制备葡萄糖传感器14、湿度传感器11及互连电极；步骤S23：在步骤S21所制备的柔性基底6上制备无线LED发光模块、光强传感器16和温度传感器12；步骤S24：在步骤S21所制备的柔性基底6上制备应力传感器15，并完成整体器件的电极裸露；步骤S25：将步骤S24后所制成的电子集成器件转移到水溶性胶带上；步骤S26：溶解步骤S25用于转移电子集成器件的水溶性胶带，制成柔性电子集成器件；以及步骤S3：将步骤S1所制备的液滴软体1与步骤S2所制备的柔性电子集成器件结合，制得基于液滴的无定形态仿生软体机器人。

在本公开实施例中，所述步骤S1包括：S11：分别称取基液3、表面活性剂4、以及超顺磁纳米颗粒5；S12：将表面活性剂4与基液3混合振荡，使其充分溶解于基液中，形成稳定均匀的溶液A；S13：将步骤S11称取得到的超顺磁纳米颗粒5混合于步骤S12所制得的溶液A中，振荡搅拌后形成分散液B；S14：将步骤S13所制得的分散液B超声分散均匀，制成液滴软体1。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)将液滴材料作为机器人软体，在磁场或电场的控制下，利用液体的流动性、表面亲润性和粘滞性等特点，根据所处的地理环境自由、任意和无限制的改变其结构和外观，具有复杂和极端条件下软体机器人形状自适应能力；

(2)柔性电子集成器件将温度传感器、湿度传感器、光度传感器、应力传感器、葡萄糖传感器集成于一体，可同时对环境中的多种信号进行检测，具备对周围环境的探查能力；

(3)将液滴软体与柔性电子集成器件结合，形成无定形态仿生软体机器人，不仅具备了在复杂环境下利用液体自身特点自由、任意的改变形状和状态的能力，同时还能够在静态和动态运动过程中对周围多种信号进行检测，是一种具有较强自适应能力和信号探查能力的多功能仿生软体机器人；

(4)该柔性电子集成传感器件可采用光刻、转印等微纳加工方式制得，精度高、体积小，技术成熟；

(5)本领域相关研究人员还尚未通过将液滴软体和柔性电子集成器件进行结合来构建仿生软体机器人，本公开为构建新型仿生软体机器人提供了一种新的思路和方向。

附图说明

图1为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人组成示意图(主视图和俯视图)。

图2为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的液滴软体组成示意图。

图3为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的柔性电子集成器件平面示意图。

图4为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法流程示意图。

图5为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的液滴软体制备方法流程示意图。

图6为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的柔性电子集成器件制备方法流程示意图。

图7为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的磁控运动控制平台示意图。

图8为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的电控运动控制平台示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-液滴软体；2-柔性电子集成器件；3-基液；4-表面活性剂；

5-纳米颗粒；6-柔性基底；7-平面螺旋线圈；8-整流二极管；

9-极板电容；10-薄膜LED；11-湿度传感器；12-温度传感器；

13-引脚电极；14-葡萄糖传感器；15-应力传感器；

16-光强传感器；17/19-超疏水纳米涂层；18-电磁铁阵列；

20-介电层；21-控制电极阵列。

具体实施方式

本公开提供了一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法，通过将柔性电子集成器件悬浮于液滴软体表面形成无定形态仿生软体机器人，可以根据所处的地理环境，利用液滴软体自身流动性、亲润性和粘滞性等特点，自由、任意的和无限制的改变其结构和外观，实现复杂环境下软体机器人形状自适应，再通过表面悬浮的柔性电子集成器件，实现多种信号的测量(温度、湿度、光强、应力、葡萄糖等)，还具有能量采集、控制和数据传输功能。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人，图1为基于液滴的无定形态仿生软体机器人组成示意图，如图1所示，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人，包括：

液滴软体1；

柔性电子集成器件2，浮于所述液滴软体1表面或内部。

当采用电场控制无定形态仿生软体机器人时，所述液滴软体1包括：去离子水、磷酸缓冲溶液、水凝胶或油等液体，驱动原理为介质上电润湿原理，主要通过改变液滴表面张力来获得运动的驱动力；

在本公开实施例中，图2为基于液滴的无定形态仿生软体机器人的液滴软体组成示意图，当采用磁场控制无定形态放生软体机器人时，如图2所示，所述液滴软体1，由基液3构成，或由基液3与表面活性剂4以及超顺磁纳米颗粒5组成的纳米磁流体构成；

所述基液3，包括：去离子水、磷酸缓冲溶液(PBS)、水凝胶或油中任意一种；

所述表面活性剂4，包括：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、油酸、柠檬酸、氢氧化四甲基铵或大豆卵磷脂有机溶液中至少一种；

所述超顺磁纳米颗粒5，包括：Fe₃O₄、Au/Fe₃O₄磁性纳米材料或吸附有碳纳米管或石墨烯的Fe₃O₄、Au/Fe₃O₄磁性纳米复合材料。

所述超顺磁纳米颗粒5的粒径为10～200nm，优选为50nm。

在本公开的一些实施例中，所述基液3，选自去离子水、磷酸缓冲溶液(PBS)、水凝胶和油等液体，作为磁流体载液；所述超顺磁纳米颗粒5为超顺磁四氧化三铁(Fe₃O₄)纳米颗粒，直径10～100nm；所述表面活性剂4选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、油酸(OA)、柠檬酸(CA)、氢氧化四甲基铵(TMAH)和大豆卵磷脂等有机溶液，用于包裹超顺磁Fe₃O₄纳米颗粒，使之分散于基液中，形成均匀稳定的分散溶液，即纳米磁流体，作为液滴软体。因超顺磁纳米颗粒5由表面活性剂4包裹，因而可以避免因范德华力和磁力作用而发生凝聚，在一定时间内，纳米磁流体是稳定的，本身不具备磁性，流体中的Fe₃O₄纳米颗粒即使在极强的磁场中也不发生凝聚或者分相。

在本公开的一些实施例中，纳米磁流体中基液3、超顺磁纳米颗粒5和表面活性剂4按照一定质量比混合，比例根据实际需要进行调整，如4∶1∶1，2∶1∶1等。

在本公开的一些实施例中，液滴软体1的组成根据采用驱动方式的不同而不同，当采用电场控制无定形态仿生软体机器人时，其组成成分仅选自水、磷酸缓冲溶液、水凝胶和油等液体，驱动原理为介质上电润湿原理，主要通过改变液滴表面张力来获得运动的驱动力；当采用磁场控制无定形态放生软体机器人时，如图2所示，其组成成分为液体基液3、聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂4和超顺磁Fe₃O₄纳米颗粒5。液滴软体根据目的和用途选取不同的液体/基液。要求需要生物兼容蛋白质材料时(比如检测葡萄糖浓度)，选取磷酸缓冲溶液(PBS)；要求能够进行固液可逆转变时，选取水凝胶；要求在水中环境能够稳定存在及运动时，选取油；一般情况下，选取去离子水作为基液即可。

在本公开实施例中，图3为基于液滴的无定形态仿生软体机器的柔性电子集成器件平面示意图，如图3所示，所述柔性电子集成器件2，包括：

柔性基底6；

功能检测模块，集成于所述柔性基底6上，用于对所处环境中温度、湿度、光强、应力强度、葡萄糖浓度、离子信号、压电信号中至少一种进行检测；以及

绝缘层，位于所述功能检测模块上，包括聚酰亚胺树脂、环氧树脂或BCB树脂中至少一种，厚度小于2μm。

所述柔性基底6，包括：

基底层，厚度小于2μm，包括聚酰亚胺、派瑞林或PET薄膜任意一种；

铜膜，厚度小于3μm，位于所述基底层上；以及

Ti/Au薄膜，厚度小于25nm，位于所述铜膜上。

所述功能检测模块包括：

传感器模块，集成于所述柔性基底6上；

所述传感器模块，包括：湿度传感器11；温度传感器12；葡萄糖传感器14；应力传感器15；以及光强传感器16；

所述湿度传感器11由同心圆双电极构成，通过检测双电极间阻抗值的变化来反映环境湿度的变化；

所述温度传感器12由弯曲微细矩形导线构成，通过检测导线电阻值的改变来反映环境温度的变化；

所述葡萄糖传感器14由同心圆三电极构成，分别为对电极、参比电极和工作电极，通过检测三电极氧化还原反应中电流的大小和变化来反映检测物葡萄糖浓度大小；

所述应力传感器15由“L”单臂碳纳米管电极构成，通过检测两段电极电阻值的改变来反映无定形态仿生软体机器人的运动状况；

所述光强传感器16由超薄光敏三极管构成，通过检测集电极与发射极之间的电流变化来反映环境光的强度变化。

需要说明的是，所述传感器模块，不仅限于以上已给出的传感器，还可以根据实际应用需求进行增删，实现不同的功能扩展，例如声音监测和存储模块。

无线LED发光模块；

所述无线LED发光模块，包括：平面螺旋线圈7；整流二极管8；极板电容9；以及薄膜LED 10。

所述平面螺旋线圈7为螺旋方形线圈，通过电磁耦合原理将环境中的电磁场信号转化为交变电信号；

所述整流二极管8通过二极管的单向导通性将交变电信号转化为直流电信号；

所述极板电容9包括上电极和下电极，用于对直流电信号进行滤波，产生平稳直流电信号。

所述薄膜LED10用于验证无线能量采集的可行性，同时还可以根据选择不同发光颜色的LED来作为生物学研究(免疫标记、光遗传等)的激发光源。

所述无线LED发光模块，不仅限于以上已给出的电磁耦合无线能量采集，还可以根据实际应用需求更改为压电能量采集、太阳能能量采集，或者为以上三种能量采集的组合，构成多能源复合能量采集。

本公开实施例中，还提供一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法，图4为所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法流程示意图，如图所示，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法包括：

步骤S1：制备液滴软体；

在本公开一实施例中，所述液滴软体，基液选取去离子水；纳米颗粒选取50nm粒径超顺磁Fe₃O₄纳米颗粒；表面活性剂选取聚乙烯吡咯烷酮。图5为基于液滴的无定形态仿生软体机器人的液滴软体制备方法流程示意图，如图5所示，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人的液滴软体制备方法，包括：

S11：分别称取基液3；表面活性剂4；以及超顺磁纳米颗粒5；

按照质量比为4∶1∶1的比例分别称取对应的基液3；表面活性剂4；以及超顺磁纳米颗粒5；上述质量比根据实际需要进行调整，如4∶1∶1，2∶1∶1等。

S12：将表面活性剂4与基液3混合振荡，使其充分溶解于基液中，形成稳定均匀的溶液A；

S13：将步骤S11称取得到的超顺磁纳米颗粒5混合于步骤S12所制得的溶液A中，振荡搅拌后形成分散液B；

S14：将步骤S13所制得的分散液B超声分散均匀，制成液滴软体。

最后利用超声分散仪对分散液B进行超声分散，时间为5-30min不等，最终形成稳定、均匀的纳米磁流体分散液，即液滴软体。

在本公开实施例中，所述基液3为去离子水；所述液滴软体根据目的和用途选取不同的基液或纳米磁流体，要求需要生物兼容蛋白质材料时(比如检测葡萄糖浓度)，选取磷酸缓冲溶液(PBS)；要求能够进行固液可逆转变时，选取水凝胶；要求在水中环境能够稳定存在及运动时，选取油；一般情况下，选取去离子水作为基液即可。

在本公开实施例中，表面活性剂4为聚乙烯吡咯烷酮；超顺磁纳米颗粒5为Fe₃O₄纳米颗粒。

需要说明的是，前述液滴软体的组成成分，表面活性剂不限于聚乙烯吡咯烷酮，根据使用目的和用途的不同，还可以为聚乙烯醇、聚乙二醇、油酸、柠檬酸、氢氧化四甲基铵和大豆卵磷脂等有机溶液。超顺磁纳米颗粒的粒径不仅限于50nm，一般情况下为10～200nm，其材料也不仅限于Fe₃O₄纳米颗粒，根据需要还可以为Au/Fe₃O₄磁性纳米复合材料等。不仅如此，根据需要，还可以用碳纳米管、石墨烯等纳米吸附材料对Fe₃O₄纳米颗粒表面进行修饰，借助纳米吸附材料比表面积大、粒径小和吸附能力强等特点对重金属离子、有机污染物、放射性核素等进行有效吸附。在无定形仿生软体机器人运动、形变、信号检测基础上，还具备了清洁功能。

S2：制备柔性电子集成器件；

在本公开的一些实施例中，电子集成器件包含超薄柔性基底6、功能检测模块和绝缘层。在超薄柔性基底上制作功能检测模块步骤包括：制作温度传感器、湿度传感器、光强传感器、应力传感器、葡萄糖传感器、加热电路和电磁耦合无线LED发光的光刻掩模版；利用电镀工艺形成葡萄糖Ag参比电极，并用FeCl₃对参比电极进行氯化，得到Ag/AgCl参比电极；利用湿法刻蚀工艺形成温度传感器、湿度传感器、葡萄糖传感器和加热电路；利用转印技术将整流二极管、薄膜LED和光敏三极管转移到对应位置，借助反应离子刻蚀和磁控溅射技术实现上述三者的电气互连，形成光强传感器和电磁耦合无线LED发光；通过旋涂法和反应离子刻蚀技术形成单壁纳米管修饰的“L”型应力传感器；最后旋涂聚酰亚胺(PI)作为绝缘层，并将葡萄糖传感器三电极、湿度传感器两电极以及引脚电极暴露出来，便于连接。

在本公开实施例中，图6为基于液滴的无定形态仿生软体机器人的柔性电子集成器件制备方法流程示意图，如图6所示，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人的柔性电子集成器件制备方法，包括：

步骤S21：制备柔性基底6；

所述柔性基底6采用具有高机械强度的高分子薄膜材料聚酰亚胺(PI)作为基底，其厚度可依据柔性传感器件适用场合对柔性的要求以及材料本身性质进行设置，一般可设置为2μm以下。

首先剪取一定面积的铜膜(所述铜膜为两层，一层较厚，一层较薄)，通过PI薄膜胶带固定于玻璃板上。将聚酰亚胺用匀胶机以一定转速均匀旋涂于上述铜膜(薄)之上，经加热固化之后形成聚酰亚胺薄膜，此时铜膜在下，聚酰亚胺薄膜在其上。在另一块同样大小的玻璃板上旋涂一定厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，经加热固化后形成透明薄膜。将铜膜及聚酰亚胺薄膜一同从玻璃板上揭下来，反贴于PDMS薄膜之上，此时，聚酰亚胺薄膜在下，铜膜在其上。小心将铜膜的较厚一层撕下，剩下较薄的一层(厚度小于3μm)。再通过磁控溅射技术在铜膜表面溅射一层Ti/Au薄膜(TI：5nm；Au：25nm)。聚酰亚胺薄膜即为前述柔性电子集成器件柔性基底；Cu/Ti/Au膜作为结构层在后续步骤中得到应用；PDMS透明薄膜在最终器件转印步骤中用于分离集成器件。

步骤S22：在步骤S21所制备的柔性基底6上制备葡萄糖传感器14、湿度传感器11及互连电极；

具体步骤如下：利用光刻及金属电镀工艺，在Ti/Au薄膜面镀上一层弧形银电极，作为葡萄糖传感器参比电极，在此基础上用FeCl₃对银电极进行氯化，形成Ag/AgCl参比电极。再通过金、钛和铜湿法刻蚀工艺形成葡萄糖传感器14，其为三电极结构，即工作电极(Au)、对电极(Au)和参比电极(Ag/AgCl)。同时形成同心圆双电极结构的湿度传感器11，双电极均为金电极。其他传感器的接触电极，比如应力传感器15的接触电极、温度传感器12的接触电极和光强传感器16的接触电极，以及电磁耦合平面螺旋线圈7及其接触电极也将在湿法刻蚀后形成。

步骤S23：在步骤S21所制备的柔性基底6上制备无线LED发光模块、光强传感器16和温度传感器12；

无线LED发光模块包括：平面螺旋线圈7、整流二极管8、极板(滤波)电容9和薄膜LED10，平面螺旋线圈7已经在步骤S21中得到，无线LED发光模块中其它器件-整流二极管8、极板(滤波)电容9、薄膜LED10以及所述光强传感器16中的光敏三极管将在此步骤制得。考虑到器件整体厚度，加工之前先通过机械研磨和激光剥离法将整流二极管8、薄膜LED10和光强传感器16中的光敏三极管材料从百微米级厚度剪薄至5～10微米。考虑到减薄后的整流二极管8、薄膜LED10和光强传感器16中的光敏三极管十分微小(100μm×100μm×10μm)，因而借助光刻机通过转印方式将其转印至Ti/Au薄膜上(三个元器件的转印位置都通过之前的加工工艺作出标记)，等待下一步固定和电气互连。待整流二极管8、薄膜LED10和光强传感器16中的光敏三极管转印至相应位置后，利用光刻技术用SU-8负性光刻胶分别对整流二极管8、薄膜LED10元件进行固定和保护，防止在后续工艺及刻蚀中遭到破坏，同时将各自元器件的接触电极暴露出来，便于后续电气互连。最后通过磁控溅射技术对整流二极管8、光强传感器16中的光敏三极管和薄膜LED10、进行电气互连，极板(滤波)电容9的上电极和温度传感器12弯曲微细电极也在这一步中完成。最终形成无线LED发光模块、光强传感器16和温度传感器12。

步骤S24：在步骤S21所制备的柔性基底6上制备应力传感器15，并完成整体器件的电极裸露。

在完成前述几个步骤后，我们通过反应离子刻蚀工艺将应力传感器接触电极(三个)暴露出来，经单壁碳纳米管旋涂之后再由反应离子刻蚀工艺对单壁碳纳米管进行图形化，形成“L”型应力传感器15。

最后旋涂聚酰亚胺(PI)作为绝缘层，之后利用反应离子刻蚀对整个柔性电子集成器件相应电极区域进行暴露，用于与待检测目标(葡萄糖、水分等)的接触或者与外界设备互连。包括葡萄糖传感器14的三电极、湿度传感器11的两电极和用于传感器电气连接的引脚电极。

步骤S25：将步骤S24所制成的电子集成器件从玻璃和PDMS的基底上转移到水溶性胶带上；

将水溶性胶带通过“哈气”等方式湿润后贴于电子集成器件表面，按压之后缓慢、轻轻地将电子集成器件从PDMS薄膜上分离开来。此时，电子集成器件从玻璃和PDMS的基底上转移到了水溶性胶带上。

步骤S26：溶解步骤S25用于转移电子集成器件的水溶性胶带，制成柔性电子集成器件。

用去离子水即可将水溶性胶带溶解掉，最终制得基于柔性基底的柔性电子集成器件。

需要说明的是，前述柔性电子集成器件不仅限于湿度传感器11、温度传感器12、应力传感器15、光强传感器16、葡萄糖传感器14和无线LED发光模块，根据需要还可以集成更多功能模块，如离子传感器、声音传感器、压电能量采集模块等等。

步骤S3：将步骤S1所制备的液滴软体与步骤S2所制备的柔性电子集成器件结合，制得基于液滴的无定形态仿生软体机器人。

需要说明的是，由于所述柔性电子集成器件2轻薄，在所述液滴软体1的表面张力以及液滴软体1与柔性电子集成器件2之间相互吸引的共同作用下，柔性电子集成器件2可以很容易的悬浮于所述液滴软体1的表面，再加上柔性电子集成器件2本身具有很高的柔性以及液滴软体1本身的流动性，因而其形状和悬浮位置可以较容易的随着液滴软体1的运动形状的改变而改变，具有很好的运动跟随性。本领域的技术人员一般很难想到将液滴软体1与柔性电子集成器件2相结合，构成集运动和测量于一体的无定形态仿生软体机器人。本公开通过微纳加工技术，制备出了平均厚度小于10μm，质量约为1mg的柔性电子集成器件，并根据驱动方式的不同制备出了水、磷酸缓冲溶液(PBS)、水凝胶、油等液滴软体或者以此为基液的液滴软体，成功实现了液滴软体与柔性电子集成器件的结合。

以上公开为基于液滴的无定形态仿生软体机器人的详细制备步骤。为了驱动所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人，本公开还提供了基于磁场和电场的运动控制平台，即磁控运动控制平台和电控运动控制平台，图7为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的磁控运动控制平台示意图；如前述所言，液滴软体由基液，表面活性剂，以及超顺磁纳米颗粒构成，在超疏水工作平面17和电磁铁阵列18的共同作用下，无定形态仿生软体机器人可按照自定义路径程序化运动。图8为本公开实施例基于液滴的无定形态仿生软体机器人的电控运动控制平台示意图。如前述所言，液滴软体仅由水、磷酸缓冲溶液、水凝胶及油等单一液体构成，在超疏水工作平面19、介电层20和控制电极阵列21共同作用下，无定形态仿生软体机器人同样可以完成自定义路径的程序化运动。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本公开提供一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人及其制备方法。将柔性电子悬浮于液滴表面或者内部，构建无定形态仿生软体机器人。可以根据所处的地理环境，利用液滴软体自身流动性、亲润性和粘滞性等特点，自由、任意和无限制的改变其结构和外观，实现复杂环境下软体机器人形状自适应，再通过表面或者内部悬浮的柔性电子集成器件，实现多种信号的测量(温度、湿度、光强、应力、葡萄糖等)，还具有能量采集、控制和数据传输功能。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人，包括：

液滴软体（1）；以及

柔性电子集成器件（2），浮于所述液滴软体（1）表面或内部；

所述液滴软体（1）为基液（3）或为基液（3）与表面活性剂（4）以及超顺磁纳米颗粒（5）组成的纳米磁流体；所述基液（3），包括：去离子水、磷酸缓冲溶液、水凝胶或油中任意一种；所述表面活性剂（4），包括：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、油酸、柠檬酸、氢氧化四甲基铵或大豆卵磷脂有机溶液中一种；所述超顺磁纳米颗粒（5），粒径为10~200nm，包括：Fe₃O₄、Au/Fe₃O₄、吸附有碳纳米管或石墨烯的Fe₃O₄、吸附有碳纳米管或石墨烯的Au/Fe₃O₄中的至少一种；

所述柔性电子集成器件（2），包括：

柔性基底（6）；

功能检测模块，集成于所述柔性基底（6）上，用于对所处环境中温度、湿度、光强、应力强度、葡萄糖浓度、离子信号、电磁波信号进行检测；所述功能检测模块包括：

传感器模块；以及

无线LED发光模块，用于无线采集环境中的电磁波能量，驱动LED发光，并给所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人供电；以及

绝缘层，位于所述功能检测模块上，包括聚酰亚胺树脂、环氧树脂或BCB树脂中至少一种，厚度小于2µm。

2.根据权利要求1所述的基于液滴的无定形态仿生软体机器人，所述柔性基底（6），包括：

基底层，厚度小于2μm，包括聚酰亚胺、派瑞林或PET薄膜任意一种；

铜膜，厚度小于3μm，位于所述基底层上；以及

Ti/Au薄膜，厚度小于25nm，位于所述铜膜上。

3.根据权利要求1所述的基于液滴的无定形态仿生软体机器人，所述传感器模块，包括：

湿度传感器（11），由同心圆双电极构成，通过检测双电极间阻抗值的变化来反映环境湿度的变化；

温度传感器（12），由弯曲微细矩形导线构成，通过检测导线电阻值的改变来反映环境温度的变化；

葡萄糖传感器（14），由同心圆三电极构成，分别为对电极、参比电极和工作电极，通过检测三电极氧化还原反应中电流的大小和变化来检测物葡萄糖浓度大小；

应力传感器（15），由L型单臂碳纳米管电极构成，用于检测所述基于液滴的无定形态仿生软体机器的运动状况；以及

光强传感器（16），由超薄光敏三极管构成，通过检测集电极与发射极之间的电流变化来反映环境光的强度变化。

4.根据权利要求1所述的基于液滴的无定形态仿生软体机器人，所述无线LED发光模块，包括：

平面螺旋线圈（7），为螺旋形线圈，通过电磁耦合原理将环境中的电磁场信号转化为交变电信号；

整流二极管（8），厚度小于10µm，与所述平面螺旋线圈（7）相连，通过二极管的单向导通性将交变电信号转化为直流电信号；

极板电容（9），与所述整流二极管（8）相连，包括上电极和下电极，用于对直流电信号进行滤波，产生平稳直流电信号；以及

薄膜LED（10），厚度小于10µm，用于实时验证无线能量采集情况或根据选择不同发光颜色的LED作为生物学研究的激发光源。

5.一种基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法，用于制备如权利要求1至4任一项所述的基于液滴的无定形态仿生软体机器人，所述基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法，包括：

步骤S1：制备液滴软体（1）；

步骤S2：制备柔性电子集成器件（2），包括：

步骤S21：制备柔性基底（6）；

步骤S22：在步骤S21所制备的柔性基底（6）上制备葡萄糖传感器（14）、湿度传感器（11）及互连电极；

步骤S23：在步骤S21所制备的柔性基底（6）上制备无线LED发光模块、光强传感器（16）和温度传感器（12）；

步骤S24：在步骤S21所制备的柔性基底（6）上制备应力传感器（15），并完成整体器件的电极裸露；

步骤S25：将步骤S24后所制成的电子集成器件转移到水溶性胶带上；

步骤S26：溶解步骤S25用于转移电子集成器件的水溶性胶带，制成柔性电子集成器件；以及

步骤S3：将步骤S1所制备的液滴软体（1）与步骤S2所制备的柔性电子集成器件结合，制得基于液滴的无定形态仿生软体机器人。

6.根据权利要求5所述的基于液滴的无定形态仿生软体机器人的制备方法，所述步骤S1包括：

S11：分别称取基液（3）、表面活性剂（4）、以及超顺磁纳米颗粒（5）；

S12：将表面活性剂（4）与基液（3）混合振荡，使其充分溶解于基液中，形成稳定均匀的溶液A；

S13：将步骤S11称取得到的超顺磁纳米颗粒（5）混合于步骤S12所制得的溶液A中，振荡搅拌后形成分散液B；

S14：将步骤S13所制得的分散液B超声分散均匀，制成液滴软体（1）。

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