CN109929131B - 一种螺旋光热驱动薄膜及基于该薄膜的软体爬行机器人 - Google Patents

Abstract

螺旋光热驱动薄膜，是由三层结构光热驱动薄膜缠绕成螺旋线圈状再经过加热固定制备而成，光照打开时，螺旋驱动薄膜旋转进行解螺旋，关闭光照时又会恢复原状;该光热驱动薄膜利用了丙烯酸层的冷却降温和体积收缩的协同作用，并结合了螺旋线圈经加热固定后形成的扭矩力，实现了在较低的温差下，响应灵敏，制动幅度大的优点。基于该材料制备的软体爬行机器人能够在低光强的白光的驱动下快速弯曲，在平坦的基板上向前爬行。

Description

一种螺旋光热驱动薄膜及基于该薄膜的软体爬行机器人

技术领域

本发明涉及光热驱动薄膜领域，具体涉及一种螺旋光热驱动薄膜及基于该薄膜的软体爬行机器人。

背景技术

在植物中，有许多螺旋形运动，包括卷须的螺旋运动和木细胞的扭曲，基于这些启发，可以将薄膜经过一定处理制成螺旋线圈来创建螺旋驱动器，这在机器人和人造肌肉中具有极大的应用前景。例如，随着新材料和智能制造的快速发展，可以收获光的软机器人消除了对外部电池的依赖就可以实现远程控制受到研究学者的青睐，这种软体机器人一般都是由柔软的，具有弹性的聚合物制备而成，例如由还原氧化石墨烯-碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（rGO-CNT / PDMS）复合薄膜制成的软机器人可以以1.6 cm s -1的平均速度向前移动（L. Hines, K. Petersen, G. Z. Lum, M. Sitti, Adv. Mater. 2017, 29, 1603483）。

与传统刚性机器人相比，软机器人因其具有大的自由度和变形能力能够完成许多复杂的操作且不易对负荷造成伤害。然而，目前驱动器存在响应时间慢、制动幅度低的问题，限制了这种爬行机器人的发展，而且鉴于许多智能设备都是在常温、自然光照下运转的，希望能够在较低的温差下产生驱动，因此，迫切需要一种材料能够在相对较低的温度变化下快速响应，且具有较高的制动速度和制动幅度。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的一种螺旋驱动光热薄膜，是具有pet层、油墨层和丙烯酸层的三层结构的光热驱动薄膜，利用丙烯酸层的冷却降温和体积收缩的协同作用，实现了在较低的温差下，响应灵敏，制动幅度大的优点，此外结合了螺旋线圈经加热固定后形成的扭矩力，制备的螺旋驱动薄膜具有高的旋转角度，快速响应时间和对称可逆性。基于该材料制备的软体爬行机器人能够在低光强的白光的驱动下快速弯曲，在平坦的基板上向前爬行。

所述螺旋线圈驱动薄膜是由三层结构的光热驱动薄膜通过缠绕在圆棒上，经高温固定而成，光热驱动薄膜包括油墨层（ink），pet层和丙烯酸层（Acrylic），所述油墨层和丙烯酸层分别复合在pet层的两侧，形成结构IPTA-X，X为丙烯酸层厚度，单位是μm。当X=0时，即为不含丙烯酸层的双层光热驱动器。如图1所示，光照打开时，螺旋线圈驱动薄膜旋转进行解螺旋，关闭光照时又会恢复原状。

所述油墨层是将一定量的炭黑，聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮混合溶剂中制备而成。油墨层有强的光热效应，具有强的光吸收能力和较宽的吸收光谱。

所述丙烯酸层，是通过在pet侧旋涂水性丙烯酸粘合剂制备而成，主要起到冷却降温和体积收缩的协同作用，进而实现弯曲制动。

与传统双层光热驱动器相比，该光热驱动薄膜包含的丙烯酸层（Acrylic），在光照条件下，通过水分蒸发诱导体积收缩，增强了该材料的弯曲制动，此外，丙烯酸层的引入对于pet层和油墨层极大不匹配的热膨胀系数带来了一个等效的负膨胀系数，使其在较低温差下具有较快的响应速度和较大的制动幅度如图2所示，以白光来模拟太阳光。随着光照强度的增加，最大旋转角度也增加，如图3所示，线圈直径为1mm时的螺旋线圈驱动薄膜随光照强度增加，驱动旋转的角度也增大，这可能是由于光强增加使得光热密度增加所致。而且，由于丙烯酸层引起的相对低的致动温度变化也改善了该螺旋光热驱动薄膜的循环稳定性，如图4所示，直径为1mm的螺旋线圈驱动薄膜，最大旋转速度约为150转/分钟，循环驱动100个循环后，性能几乎没有衰减，表现了优异的稳定性。

基于螺旋线圈驱动薄膜的软体爬行机器人，是将光热驱动薄膜围绕在圆棒上形成一弓形形状，再经高温固定而成。为减小爬行时的摩擦力，在光热薄膜的丙烯酸层粘附阵列碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜除了能够减小丙烯酸层的粘附力，还具有良好的散热功能，利于丙烯酸层产生降温和体积收缩的协调作用。当弓形的软体爬行机器人的前腿被照亮时，前腿（F2）上的摩擦力减小，机器人变得几乎平坦，前腿向前移动，前腿以接近垂直的角度接触表面，使得“脚”在表面上相对平坦。相反，相对于前脚，减少后“脚”的表面接触，后腿呈现更小的角度。因此，前腿（F2'）上的摩擦力大于后腿（F1'）上的摩擦力，故后腿向前移动如图5所示。本发明制备的软体爬行机器人可以连续覆盖最远5厘米的距离，在将来能会更侧重于提高承载能力和多功能性等能力的研究，还可以通过与诸如传感器，天线和其他设备之类的其他模块组合来找到用于爬行到特定地点以进行搜索并采取行动的应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1 本发明的螺旋光热驱动薄膜在光照射下驱动旋转示意图；

图2 本发明的螺旋光热驱动薄膜在光照射下旋转速度、旋转角度以及温度变化图；

图3 本发明的螺旋光热驱动薄膜在不同光照密度下旋转角度变化图；

图4 本发明的螺旋光热驱动薄膜在光照射下驱动稳定性数据图；

图5 本发明的软体爬行机器人在光驱动下爬行示意图；

图6 不同螺旋直径的光热驱动薄膜的旋转角度比较；

图7本发明的螺旋光热驱动薄膜与传统双层驱动器的驱动性能比较；

图8 本发明的软体爬行机器人在光驱动下爬行展示图。

具体实施方式

实施例一：螺旋光热驱动薄膜

首先，制备具有三层结构的光热驱动薄膜，将炭黑（5％），聚氨酯（30％）溶解在乙酸乙酯和丙酮（20％/ 80％）混合溶剂中，搅拌均匀后，以3000r/min旋涂在1.6μm厚度的pet薄膜上，自然干燥后，形成厚度为1.2μm的油墨层，同样地，在pet的另一侧旋涂水性丙烯酸粘合剂，形成丙烯酸层，本实施例中丙烯酸层厚度为2μm，形成IPAT-2，为研究其性能，以不含丙烯酸层的IPAT-0为对照。

其次，取尺寸为5cm×2mm的光热驱动薄膜，以±45°螺旋角将油墨层一侧缠绕在钢棒，用聚酰亚胺胶带固定薄膜的两端，然后在120℃的烘箱中退火4小时形成螺旋线圈驱动薄膜，为研究不同线圈直径对薄膜驱动性能的影响，选取的钢棒直径为1、2、4、6mm,如图6所示，随着钢棒直径的增加，旋转角度降低。当钢棒直径为1mm时，螺旋驱动薄膜的旋转角度最大，如图2所示，在150 mW cm^-2光照射下，螺旋驱动薄膜在0.36 s内达到峰值288°cm^-1，温度变化为17°C，关闭光照时在0.72s回复到原始状态。与传统双层光热驱动器IPTA-0相比，如图7所示，旋转角度280°，响应时间0.84s，该螺旋驱动薄膜表现了更小响应时间和更大的旋转角度，进一步验证了丙烯酸层的冷却效果和协同体积收缩效果。

实施例二：软体爬行机器人

在尺寸为7mm×2mm的光热薄膜上覆盖10层高取向碳纳米管阵列，将薄膜背对碳纳米管薄膜的一侧包裹在直径为4mm的不锈钢棒上，在100℃下退火1小时，形成具有弓形结构的软体爬行机器人，当用30 mW cm^-2白光照射驱动器前腿时，前腿产生收缩形变，借助于弓形结构扭矩带动后退向前收缩，当关闭光照时，前腿释放恢复至原状，进而带动后腿向前移动，如图8所示，以0.4Hz的频率顺序打开和关闭白光，可以驱动爬行机器人以平均速度26mms^-1向前移动，这是当前报道的的rGO-CNT/PDMS履带式机器人的记录值为16mms^-1的1.6倍。

另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种螺旋光热驱动薄膜，是由三层结构光热驱动薄膜缠绕成螺旋线圈状再经过加热固定制备而成，其特征在于，所述三层结构光热驱动薄膜包括油墨层，pet层和丙烯酸层，油墨层和丙烯酸层分别位于pet层的两侧，所述丙烯酸层是通过在pet一侧旋涂水性丙烯酸粘合剂制备而成，主要起到冷却降温和体积收缩的协同作用，进而实现弯曲制动，所述油墨层是由一定量的炭黑、聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮的混合溶剂中制备而成，具有较强的光吸收能力和较宽的吸收光谱。

2.根据权利要求1所述的螺旋光热驱动薄膜，其特征在于，所述螺旋线圈直径为1-6mm。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋光热驱动薄膜，其特征在于，所述加热温度为100-150℃，时间为1-4小时。

4.一种软体爬行机器人，其特征在于，是由三层结构光热驱动薄膜缠绕在圆棒上加热固定成弓形形状制备而成，所述三层结构光热驱动薄膜包括油墨层，pet层和丙烯酸层，油墨层和丙烯酸层分别位于pet层的两侧，所述丙烯酸层是通过在pet一侧旋涂水性丙烯酸粘合剂制备而成，所述油墨层是由一定量的炭黑、聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮的混合溶剂中制备而成，所述三层结构光热驱动薄膜的丙烯酸层表面铺设碳纳米管薄膜。

5.根据权利要求4所述的软体爬行机器人，其特征在于，所述圆棒直径为3-6mm。

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