CN109605356B - 一种可自驱动进行仿蛇形运动的液态金属柔性机器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可自驱动进行仿蛇形运动的液态金属柔性机器，包括柔性液态金属容器，置于所述柔性液态金属容器中的液态金属以及为液态金属进行蛇形运动提供驱动力的酸与盐的混合溶液，所述液态金属浸于所述酸与盐的混合溶液中；所述柔性液态金属容器的四周设有一个或多个液态金属出口，所述液态金属的出口由弹性模量小于所述柔性液态金属容器的超弹性薄膜进行封堵，所述超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的挡片，打开所述挡片，所述液态金属在所述酸与盐的混合溶液的驱动下推动所述超弹性薄膜进行蛇形运动。本发明的仿蛇形运动柔性机器无需外界能量供应，具有完全自驱动的性质，并且全柔性，可适应各种复杂的情况，应用场景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及柔性机器人技术领域，具体涉及一种液态金属自主驱动的可进行蛇行运动的机器。
背景技术
科技的不断进步，机器人产业获得了长足的发展，工业机器人以及服务机器人在诸多领域获得了广泛的应用，大大提高生产效率的同时也改善了人们的生活。此外，特种机器人由于具有灵活性、机动性,可代替人完成重复、繁琐或危险的劳动,已广泛应用于医疗、卫生、海洋探索、灾后救援、地形勘探、战场信息获取等各种领域。然而，因为应用场所的复杂性，适应性有限的刚性机器正在遇到越来越多的挑战和瓶颈。另一方面，柔性机器具有相当高的自由度，因而可以连续地变形，表现出了前所未有的适应性。因而，柔性机器获得了科研界和产业界的大量关注。
在自然界中，经过亿万年的进化，生物倾向于与环境更好地相容，形成了很多独一无二的特征。在这其中，柔软性是其中重要的特征之一。所以，从这个意义上说，生物学一直是制造柔性机器重要的灵感来源。例如地球上常见的蛇，拥有十分强大的适应性。在没有腿的协助下，仍可以迅速通过肌肉的收缩进行快速运动，在各种复杂的地形中灵活穿行。正是蛇形运动的广泛适应性和灵活性，使得仿生型蛇形运动的研究吸引了大量的关注。截至目前，国内外的很多研究者做了大量的工作。这其中，日本工业大学设计的一种气动式蠕动行进的蛇形机器人、美国密歇根大学设计的一种利用履带驱动的蛇形机器人、卡耐基梅隆大学研制的一种能够攀爬和翻滚的模块化蛇形机器人以及上海交通大学制作的微小型仿蛇型机器人是其中杰出的代表，这些研究为软体仿生蛇提供了宝贵的经验但也体现了目前仿生蛇研究的困境和不足。因为自然界中的蛇形运动需要肌肉的良好协调，运动十分流畅，这对由硬质材料构成的传统机器来说是一项艰巨的挑战。此外，目前仿蛇形运动大都通过依赖硬质材料的结构设计进而实现，为了驱动硬质材料的运动，需要依靠外部能量的供给，比如气泵或者电力，这大大限制了蛇形机器的使用场所和应用价值，距离理想中的仿蛇形机器尚有一定的差距。因此，可直接实现的全柔性自驱动的仿蛇形运动的机器意义重大。
近年来，具有高柔性，可变形性，导电性，导热性和无毒性等独特性能的液态金属(比如Ga67In21Sn12)正在吸引柔性机器领域的广泛关注。液态金属系统的一系列引人入胜的界面现象已被发现和解释，例如液态金属自驱动运动，液态金属表面对流，液态金属大尺度运动等。这些现象的发现和揭示表明液体金属丰富的可变形性，是一种难得的具有多种功能的智能材料，为更为重要的功能的实现奠定了重要的理论基础。众所周知，终结者中的T1000液态金属机器人引起了大家广泛的兴趣，功能强大的液态金属机器人的实现是柔性机器领域的一大目标。因而，液态金属柔性机器的实现具有重要的理论和实践意义，可大大鼓舞本领域的科研人员。最近，研究人员发现，置于某些酸性盐溶液中的一团液态金属会自发地生长出大量的伪足，并像蛇一样运动。这个现象突破了以往液态金属的运动和变形形式，对于液态金属柔性机器的制造具有重要的价值。
发明内容
基于首次发现的离子激发的液态金属蛇形运动的现象，本发明提出一种可以进行蛇形运动的液态金属柔性机器，具有全柔性，自驱动，结构简单的特点，可有效解决现有刚性机器非柔性无法适应复杂环境，依赖外界能量供给以及结构复杂的现状，应用前景可期。
本发明的液态金属柔性机器，包括柔性液态金属容器，置于所述柔性液态金属容器中的液态金属以及为液态金属进行蛇形运动提供驱动力的酸与盐的混合溶液，所述液态金属浸于所述酸与盐的混合溶液中；
所述柔性液态金属容器的四周设有一个或多个液态金属出口，所述液态金属的出口由弹性模量小于所述柔性液态金属容器的超弹性薄膜进行封堵，所述超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的挡片，打开所述挡片，所述液态金属在所述酸与盐的混合溶液的驱动下推动所述超弹性薄膜进行蛇形运动。
优选的，所述柔性液态金属容器为弹性材料。所述液态金属容器为弹性材料，当液态金属伪足不断伸出的时候，机器中心的液态金属体积量不断减少，从而产生额外的空间。具有一定弹性的液态金属容器可以收缩，避免额外空间的产生，从而保证柔性机器的仿蛇形运动稳定的伸出和运动。
优选的，所述柔性液态金属容器的材料为聚二甲基硅氧烷；
进一步优选的，所述柔性液态金属容器的厚度为100～2500微米。
优选的，所述超弹性薄膜的材料为天然橡胶薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或超弹性聚氨脂
优选的所述柔性液态金属容器的四周设有一个或多个盐颗粒储存室，所述盐颗粒储存室与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的盐储存室挡片。蛇形运动的动力来自于液态金属与所述酸与盐的混合溶液反应，设置盐颗粒储存室，可方便地控制盐的添加，保证反应的不断进行，不断的地为控制蛇形提供动力。
进一步优选的，打开所述盐储存室挡片，盐颗粒可以自发地溶解于所述酸与盐的混合溶液中。
进一步优选的，所述盐颗粒储存室里面储存的盐颗粒种类需要和溶液环境中的盐种类一致。
优选的，所述液态金属为熔点低于30度的金属或合金。
进一步优选金属镓或镓基合金。
更优选为Ga60In40、Ga80In20、Ga70In30、Ga65In35、Ga75.5In24.5、Ga67In21Sn12、Ga61In25Sn13、Zn1Ga90In10或Ga80In20。
优选的，所述酸溶液为非氧化性酸；
进一步优选盐酸,盐酸为常见的非氧化性强酸，可有效避免氧化液态金属的同时，提供必要的酸性；
优选的，所述盐溶液为铜、汞、银、铂或金中的一种或几种所形成的盐溶液；
进一步优选铜或银的盐溶液。与上述其他金属相比，铜和银的安全性更高，且这两种金属的价格相对更低，盐溶液更易得到，更有利于进行大规模推广。
优选的，所述酸溶液的浓度为1～6mol/L，所述盐溶液的浓度为5～20％wt，酸溶液和盐溶液以体积比1:1～1:9混合。这种体积比的选择，可以有效保证蛇形伪足的产生和发展。
优选的，所述液态金属与所述液态金属容器的内表面之间的距离为0.1～3mm，所述液态金属与所述柔性液态金属容器的内表面之间充满所述酸和盐的混合溶液。
优选的，所述盐颗粒储存室的挡片和所述超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间的可开闭的挡片均可通过机械控制或者无线控制其开闭。
优选的，所述柔性液态金属容器的至少可容纳50微升的液态金属。当液态金属的体积低于50微升时，表面张力起到更为重要的作用，蛇形伪足很难产生，无法进行蛇形运动。
本发明具有如下有益效果：
本发明的目的在于通过充分利用离子激发的液态金属蛇形运动现象，通过结构设计，实现自发的仿蛇形运动，进而实现仿蛇形运动的液态金属柔性机器，执行相应的功能。其进行蛇行运动的原理为，液态金属和溶液环境之间发生的化学反应，会改变液态金属的表面张力，相当于对液态金属表面施加一个压差，从而自动长出蛇状的伪足。因为弹性模量的不同，伪足会从弹性模量小的地方伸出，并像蛇一样运动。这种仿蛇形运动柔性机器无需外界能量供应，具有完全自驱动的性质，并且全柔性，可适应各种复杂的场所，设计制造简单。因而其在深海探测、灾害救援、地质探索等特定场合有着潜在的应用。并且因其全柔性的特点，使其可以在几何不规则的复杂场所执行传感探测等任务，应用场景比较广泛。
进一步地，所发明所实现的液态金属柔性机器，通过阀门隔绝盐颗粒储存室与溶液环境，通过另外的阀门隔绝超弹性薄膜(即伪足会伸出的部分)与溶液环境，因而可以通过控制阀门的开启进而控制液态金属蛇形伪足的产生以及产生的部位，可控性强。运动完成后，关闭盐颗粒储存室的阀门，溶液环境的浓度会下降，不足以支撑液态金属伪足的继续产生和运动，蛇形运动会停止。此时，由于表面张力的原因，液态金属会重新恢复成团状，可以重复利用。本发明将有力促进仿生自驱动型柔性机器的发展。
附图说明
图1为本发明实施例1的全柔性自驱动的仿蛇形运动的液态金属机器的结构示意图；
图2为本发明实施例2的全柔性自驱动的仿蛇形运动的液态金属机器的使用效果示意图；
其中1、盐颗粒储存室、2、挡片a、3、液态金属、4、超弹性薄膜材料、5、柔性液态金属容器、6、酸与盐的混合溶液、7、挡片b。8、液态金属蛇形伪足。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种全柔性自驱动的仿蛇形运动的液态金属机器，主要包括柔性液态金属容器5，置于所述液态金属容器中的液态金属3以及酸与盐的混合溶液6，所述液态金属浸于所述酸与盐的混合溶液中；
所述液态金属容器的四周设有一个或多个液态金属出口，所述液态金属的出口处由超弹性薄膜4进行封堵，所述超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的挡片a 2。所述柔性液态金属容器5的材料的弹性模量小于所述超弹性薄膜。
实施例2
与实施例1相比，区别在于，所述柔性液态金属容器的四周设有一个或多个盐颗粒储存室1，所述盐颗粒储存室与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的挡片b 7。
本实施例选用聚二甲基硅氧烷薄膜作为柔性液态金属容器的材料，其厚度为1000微米，选择聚氨酯为超弹性薄膜的材料，选择10mL液态金属为熔点为15.7摄氏度的Ga74.5In24.5，其体积为10Ml,将6mol/L的盐酸和质量浓度为10％的硫酸铜溶液按照体积比1:3比例混合，混合均匀后的溶液作为本实施例的溶液环境，其体积为3mL。
本实施例所述机器的工作原理为，将封装好的液态金属柔性机器置于工作环境中，因为液态金属和周围溶液之间的反应，液态金属内部已经积累一定的表面张力压差。此时，打开超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间的挡片a，液态金属蛇形伪足会在此处产生并不断像蛇一样运动。如图2所示的自驱动仿蛇形运动的实施效果图，此时打开了左下方和右上角的三个挡片，三条液态金属伪足从此处产生并不断运动。当环境溶液的浓度不足以支撑伪足的继续产生时，打开连接硫酸铜盐颗粒储存室的挡片b，释放硫酸铜颗粒，增加环境溶液的浓度，使得仿蛇形运动继续产生。随着中心液态金属的消耗，封装层会不断收缩，保证了运动的持续性。当任务完成后，关闭盐颗粒储存室的阀门以及超弹性薄膜处的阀门，蛇形运动会自动结束。
实施例3
同实施例2相比，本实例主要不同在于，不同于前述实施例中的铜盐溶液。本实例中的溶液环境为硝酸银和硝酸的混合溶液。具体地，本实施例所选用的硝酸银质量浓度为10％，硝酸的摩尔浓度为2mol/L。为得到合适酸度的酸性银盐溶液，硝酸和硝酸银的体积比选为1:3。
其余的结构、运动原理及操作与实施例1一致，在此不再赘述。
实施例4
本实例主要不同在于，所述的挡片选择为无线遥控电控挡片。所谓的无线遥控电控挡片，指的是可以通过非接触遥控的形式，控制挡片的开关，进而可以执行更为复杂的运动。
这里通过无线通讯控制挡片的开启，无线通讯的模块可选择市场上常见的模块，这里不做限制，只需要能够执行对挡片的开启和关闭即可。运动开始时，可以通过非接触式的遥控器控制超弹性薄膜所在处的挡片的开启，进而控制蛇形伪足的生长部位。
此实施例的优点在于，无线模块的加入和组合，使得对于柔性机器的操纵更为方便。
其余的结构、运动原理及操作同实施例1一致，在此不再赘述。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (15)
1.一种可自驱动进行仿蛇形运动的液态金属柔性机器，其特征在于，包括柔性液态金属容器，置于所述柔性液态金属容器中的液态金属以及为液态金属进行蛇形运动提供驱动力的酸与盐的混合溶液，所述液态金属浸于所述酸与盐的混合溶液中；
所述柔性液态金属容器的四周设有一个或多个液态金属出口，所述液态金属的出口由弹性模量小于所述柔性液态金属容器的超弹性薄膜进行封堵，所述超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的挡片，打开所述挡片，所述液态金属在所述酸与盐的混合溶液的驱动下推动所述超弹性薄膜进行蛇形运动。
2.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述柔性液态金属容器为弹性材料。
3.根据权利要求2所述的机器，其特征在于，所述液态金属容器的材料为聚二甲基硅氧烷，厚度为100～2500微米。
4.根据权利要求1～3任一项所述的机器，其特征在于，所述超弹性薄膜的材料为天然橡胶薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或超弹性聚氨脂中的一种或几种。
5.根据权利要求1～3任一项所述的机器，其特征在于，所述柔性液态金属容器的四周设有一个或多个盐颗粒储存室，所述盐颗粒储存室与所述酸与盐的混合溶液之间设有可开闭的盐储存室挡片。
6.根据权利要求5所述的机器，其特征在于，打开所述盐储存室挡片，盐颗粒可以自发地溶解于所述酸与盐的混合溶液中。
7.根据权利要求1～3任一项所述的机器，其特征在于，所述液态金属为熔点低或等于30℃的金属或合金。
8.根据权利要求7所述的机器，其特征在于，所述液态金属为镓或镓基合金。
9.根据权利要求1或8所述的机器，其特征在于，所述液态金属为Ga60In40、Ga80In20、Ga70In30、Ga65In35、Ga75.5In24.5、Ga67In21Sn12、Ga61In25Sn13、Zn1Ga90In10或Ga80In20中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述酸为非氧化性酸；
和/或，所述盐为铜、汞、银、铂或金中的一种或几种所形成的盐溶液。
11.根据权利要求10所述的机器，其特征在于，所述酸为盐酸，和/或，所述盐为铜或银的盐溶液。
12.根据权利要求10或11所述的机器，其特征在于，所述酸的浓度为1～6mol/L，所述盐的浓度为5～20％wt，所述酸和所述盐以体积比1:1～1:9混合。
13.根据权利要求1～3任一项所述的机器，其特征在于，所述液态金属与所述柔性液态金属容器的内表面之间的盐距离为0.1～3mm，所述液态金属与所述柔性液态金属容器的内表面之间充满所述酸和盐的混合溶液。
14.根据权利要求1～3任一项所述的机器，其特征在于，所述盐颗粒储存室的挡片和所述超弹性薄膜与所述酸与盐的混合溶液之间的可开闭的挡片均可通过机械控制或者无线控制其开闭。
15.根据权利要求1～3任一项所述的机器，其特征在于，所述柔性液态金属容器的至少可容纳50微升的液态金属。
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