CN109968571A - 一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法 - Google Patents

一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法，本发明提供的柔性相变型人工肌肉材料包括柔性硅胶基体、相变液、导热率增强添加剂，加热电阻丝和外层尼龙网，所述的相变液以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体中，外面包裹有尼龙编织网；所述的相变液为无水乙醇，所述的导热率增强剂为氧化石墨烯或金纳米颗粒。本发明模仿肌肉收缩舒张的运动模式，将柔性复合材料设计与机械结构设计有机融合，提供出一种能够在低压条件下、柔性、体积小、变形大的柔性相变型人工肌肉材料。

Description

一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种人工肌肉材料及其制备方法，特别涉及一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法。
背景技术
随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。传统的驱动方式如电机、气动、液压等因为体积过大，工作状态有限，难以满足未来机器人的发展要求，于是新型的致动材料成为研究的重点。目前，人工肌肉材料的研究主要集中在电活性聚合物及相变型人工肌肉上，这两种材料都具有较大的形变及能量密度。
相变型人工肌肉是由弹性聚合物基体与可产生相变的材料组成，通过加热或者其他的方式使复合材料中的相变材料产生相变，从而产生体积变化，通过弹性体聚合物基体的可变性实现复合材料的变形和恢复，从而实现整体的膨胀与收缩。因此，我们想基于相变型人工肌肉，制备一种新型柔性相变型人工肌肉，可以在低电压下采用电热驱动模式进行驱动，解决传统驱动体积大，柔性差，工作状态有限的不足。
发明内容
本发明的目的是解决现阶段人工肌肉材料技术的不足,传统的驱动方式如电机、气动、液压等因为体积过大，工作状态有限，难以满足未来机器人的发展要求等问题，提供的一种相变型人工肌肉材料及其制备方法。
一种柔性相变型人工肌肉材料，包括柔性硅胶基体、相变液、导热率增强剂，加热电阻丝，外层尼龙网，所述的相变液以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体中，外面包裹有尼龙编织网，通过通电加热电阻丝产生热量变化，从而导致相变液产生液-汽相变，因为外面有柔性硅胶基体及尼龙编织网，该人工肌肉便可以产生肌肉状的往复收缩。
所述的相变型人工肌肉沿长度方向收缩，沿径向方向膨胀。
一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，包括以下步骤：
一、配置柔性基体材料
称取20ml的AB型硅胶,A：B＝1：1(A液10ml，B液10ml)，一定浓度导热率添加剂，乙醇，所述的硅胶和乙醇的体积百分比为15％～35％，采用机械搅拌的方式在硅胶和乙醇的混合溶液中边搅拌边加入干燥过的导热率增强剂，搅拌时间5min，手动搅拌即可，当导热率添加剂分散均匀后，便得到液态复合材料；
二、制备模具及符合模具的电阻丝
本发明使用10ml和5ml注射器注射管作为模具，将镍铬电阻丝卷成螺旋状，螺旋处长度为8cm，放入模具中；
三、柔性相变型人工肌肉的定型
将步骤一中的液态复合材料灌注在制备好并装有镍铬电阻丝的模具中，在室温下固化5h～8h成型，起模，得到柱状相变型人工肌肉；
四、人工肌肉的包装
将步骤三中的柱状相变型人工肌肉装入比其直径略小的尼龙编织网中，两端用扎带扎紧；
所述步骤一中的AB硅胶型号为Ecoflex00-30；乙醇的浓度≥99.5％；所述导热率增强剂为金纳米粒子(长径比为2)或氧化石墨烯(纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层)；
所述步骤二中所述的注射器管为标准的塑料注射器，镍铬电阻丝直径为0.25mm-0.35mm，所卷成的螺旋状电阻丝直径比注射管内径小3mm-5mm。
本发明的工作原理：
本发明的提供的一种柔性相变型人工肌肉材料，可以应用于柔性机器人驱动器，将制作好的人工肌肉安装在机器人需要驱动的部位，通过外接电源进行控制；该材料选择柔性基体硅胶，将其制成柔性硅胶基体、中间均匀分布微小相变液液泡和为提高人工肌肉反应时间的导热率增强剂，该人工肌肉具有一定的柔性，接近肌肉的柔韧度。接通电源后，可以根据通断电电阻丝发热加热柔性硅胶基体内部的相变液液泡，相变液开始从液态变为汽态，液泡体积膨胀，带动材料整体发生膨胀，又由于在材料外部包装有尼龙编织网，编织网前后端用尼龙绑扎带固定封死，导致材料产生径向方向上的膨胀及长度方向上的收缩，当断电后，材料冷却下来，其中的相变液，从汽态变回液态，体积缩小为原来的大小，加尼龙编织网后，就会呈现材料的伸长，在反复通电过程中，可以实现相变型人工肌肉的收缩与膨胀，这与人体肌肉的工作模式非常吻合。
本发明的有益效果：
本发明提供的柔性相变型人工肌肉材料，基于人体肌肉收缩膨胀的原理，将仿生设计与材料有机融合，突破传统机械式驱动器硬、体积大、能耗大的缺点，本发明方法制备简单快捷，可以在低压条件下(8V-12V)进行驱动，采用柔性基体，可以实现驱动器的柔性化，体积小、变形大可以实现机器人的小型化；这种新的相变型人工肌肉设计与材料制备方法使机器人不再需要复杂的机械结构进行驱动，为实现机器人驱动器的低能耗、地能耗、柔性和小型化提供了一种解决方案。
附图说明
图1为本发明透视结构示意图。
图2为本发明未包裹尼龙编织网的变形示意图
图3为本发明包裹尼龙编织网的实物效果图。
图4为本发明的制备示意图。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1-4所示：
一种柔性相变型人工肌肉材料，包括柔性硅胶基体1、相变液2、导热率增强剂、加热电阻丝3和外层尼龙网，所述柔性硅胶基体1中含有纳米分散离子，所述的相变液2以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体1中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体1中，材料制作完成后在外面包裹尼龙编织网，通过通电加热电阻丝产生热量变化，从而导致相变液2产生液-汽相变，材料产生膨胀，断电后相变液2产生汽-液相变，材料收缩，如图2所示，因为外面有柔性硅胶基体1及尼龙编织网，该人工肌肉便可以产生肌肉状的往复收缩；
所述的柔性硅胶基体1的硅胶型号为Ecoflex00-30，邵氏硬度为00-30A，拉伸强度200psi，断裂伸长率为900％。直径为针筒模具直径12mm，长度为10cm；
所述的相变液2为无水乙醇浓度≥99.5％，市售(阿拉丁试剂)；
所述的导热率增强添加剂为水溶性金纳米粒子，粒径20nm×40nm，长径比为2，添加质量分数为4×10-6％。
所述的加热电阻丝3为镍铬电阻丝3，电阻丝直径0.25mm，卷制为螺旋状后，螺旋处直径为6mm，长度为8cm；
所述的柔性硅胶基体1与加热电阻丝3同轴；
所用针筒模具为5ml针筒，内径为12mm，长度10cm；
一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
一、配置柔性基体材料
称取10ml的Ecoflex00-30AB型硅胶，其中A：B体积比为1:1，和粒径为20×40nm的金纳米粒子溶液，所述的硅胶和乙醇的体积百分比为25％，采用机械搅拌的方式在硅胶和乙醇的混合溶液中边搅拌边加入干燥过的金纳米粒子，搅拌时间5min，手动搅拌即可，当金纳米粒子分散均匀后，便得到液态复合材料；
二、制备模具及符合模具的电阻丝
本发明使用注射器注射管作为模具，本案例选择5ml的注射器针筒为模具，将镍铬电阻丝3卷成螺旋状，螺旋处直径为6mm，长度8cm，放入模具中；
三、柔性相变型人工肌肉的定型
将步骤一中的液态复合材料灌注在制备好并装有镍铬电阻丝3的模具中，在室温下固化5h～8h成型，起模，得到柱状相变型人工肌肉；
步骤一中的AB硅胶型号为Eciflex00-30；乙醇的浓度≥99.5％；金纳米粒子的粒径20nm×40nm，长径比为2；
步骤二中所述的注射器管为标准的塑料注射器，镍铬电阻丝3直径为0.35mm，所卷成的螺旋状电阻丝螺旋处直径为6mm，长度8cm；
将本实施例提供的柔性相变型人工肌肉材料连接在测试电极上，进行机电性能测试实验中，在8-12v的不同电压下，可测得该人工肌肉的收缩率为15-20％。经过阻抗力实验测试，在8v电压下，可提升50g重物，是自身重量的2.5倍。
实施例二
本实例与实例一不同在于，导热率增强剂的不同，一种柔性相变型人工肌肉材料，包括柔性硅胶基体1、相变液2、导热率增强剂、加热电阻丝3和外层尼龙网，所述柔性硅胶基体1包含导热率增强添加剂，所述的相变液2以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体1中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体1中，材料制作完成后在外面包裹尼龙编织网，通过通电加热电阻丝产生热量变化，从而导致相变液2产生液-汽相变，材料产生膨胀，断电后相变液2产生汽-液相变，材料收缩，如图2所示，因为外面有柔性硅胶基体1及尼龙编织网，该人工肌肉便可以产生肌肉状的往复收缩；
所述的柔性硅胶基体1的硅胶型号为Ecoflex00-30，邵氏硬度为00-30A，拉伸强度200psi，断裂伸长率为900％。直径为针筒模具直径12mm，长度为10cm；
所述的相变液2为无水乙醇浓度≥99.5％，市售(阿拉丁试剂)；
所述的导热率增强剂为氧化石墨烯：纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层。添加的质量分数为0.2％；
所述的加热电阻丝3为镍铬电阻丝3，电阻丝直径0.25mm。卷制为螺旋状后，螺旋处直径为6mm，长度为8cm；
所述的柔性硅胶基体1与加热电阻丝3同轴；
所用针筒模具为5ml针筒，内径为12mm，长度10cm；
一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
一、配置柔性基体材料
称取10ml的Ecoflex00-30AB型硅胶，其中A：B体积比为1:1，和纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层的氧化石墨烯，所述的硅胶和乙醇的体积百分比为25％，采用机械搅拌的方式在硅胶和乙醇的混合溶液中边搅拌边加入干燥过的氧化石墨烯，搅拌时间5min，手动搅拌即可，当氧化石墨烯分散均匀后，便得到液态复合材料；
二、制备模具及符合模具的电阻丝
本发明使用注射器注射管作为模具，本案例选择5ml的注射器针筒为模具，将镍铬电阻丝3卷成螺旋状，螺旋处直径为6mm，长度8cm，放入模具中；
三、柔性相变型人工肌肉的定型
将步骤一中的液态复合材料灌注在制备好并装有镍铬电阻丝3的模具中，在室温下固化5h～8h成型，起模，得到柱状相变型人工肌肉；
步骤一中的AB硅胶型号为Eciflex00-30；乙醇的浓度≥99.5％；所述的导热率增强剂为氧化石墨烯：纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层，添加的质量分数为0.2％；
步骤二中所述的注射器管为标准的塑料注射器，镍铬电阻丝3直径为0.35mm，所卷成的螺旋状电阻丝螺旋处直径为6mm，长度8cm；
将本实施例提供的柔性相变型人工肌肉材料连接在测试电极上，进行机电性能测试实验中，在8-12v的不同电压下，可测得该人工肌肉的收缩率为12％-18％。经过阻抗力实验测试，在8v电压下，可提升40g重物，是自身重量的1.6倍。

Claims (5)

1.一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：包括柔性硅胶基体1、相变液2、导热率增强剂、加热电阻丝3和外层尼龙网，所述的相变液2以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体1中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体1中，外面包裹有尼龙编织网。
2.根据权利要求1所述的一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：所述的柔性硅胶基体1的硅胶型号为Ecoflex00-30，拉伸强度为200psi，断裂伸长率为900％，邵氏硬度为00～30A；
所述的相变液2为无水乙醇，浓度≥99.5％，无水乙醇在硅胶基体中的的质量分数为15％～35％；
所述的导热率增强添加剂为金纳米粒子或氧化石墨烯，水溶性金纳米粒子，粒径20×40nm，长径比为2；氧化石墨烯：纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层。
3.根据权利要求1所述的一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：所述的加热电阻丝3直径为0.35mm，卷制为螺旋状后，螺旋处直径为6～10mm；
所述的外层尼龙编织网，宽度为12～16mm，长度以包住材料为好，两端用扎带固定。
4.一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、配置柔性基体材料
称取一定量的的AB型硅胶，其中A：B体积比为1:1，和粒径为20～40nm的金纳米粒子溶液，所述的硅胶和乙醇的体积百分比为15％～35％，采用机械搅拌的方式在硅胶和乙醇的混合溶液中边搅拌边加入干燥过的金纳米粒子，搅拌时间5min，手动搅拌即可，当金纳米粒子分散均匀后，便得到液态复合材料；
二、制备模具及符合模具的电阻丝
本发明使用注射器注射管作为模具，将镍铬电阻丝卷成螺旋状，放入模具中；
三、柔性相变型人工肌肉的定型
将步骤一中的液态复合材料灌注在制备好并装有镍铬电阻丝的模具中，在室温下固化5h～8h成型，起模，得到柱状相变型人工肌肉；
四、人工肌肉的包装
将步骤三中的柱状相变型人工肌肉装入比其直径略小的尼龙编织网中，两端用扎带扎紧；
所述步骤一中的AB硅胶型号为Ecoflex00-30；乙醇的浓度≥99.5％；金纳米粒子长径比为2；
所述步骤二中所述的注射器管为标准的塑料注射器，镍铬电阻丝直径为0.25～0.35mm，所卷成的螺旋状电阻丝直径比注射管内径小3～5mm。
5.根据权利要求4所述的一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，其特征在于：步骤一中的AB硅胶型号为Ecoflex00-30；步骤一中的相变液2为无水乙醇；步骤二中的电阻丝直径为0.25～0.35mm，步骤四中的外层尼龙编织网，宽度为12～16mm。
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