CN110172126B - 一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法 - Google Patents

一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法，涉及仿生材料技术领域。该人工肌肉驱动模块包括双网络水凝胶和介电弹性体，双网络水凝胶粘固设置在上下两个介电弹性体之间，双网络水凝胶通过导线与外界电场正极连接。该基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块能够利用水凝胶和介电弹性体两者各自的性能优势，且能够很好的解决人工肌肉的损伤修复问题，且结构简单，制备工艺简便。

Description

一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块及 其制备方法
技术领域
本发明涉及仿生材料技术领域，具体涉及一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法。
背景技术
人工肌肉是指不用机械装置，而以电场驱动或者化学驱动的材料。目前用于制备人工肌肉的材料有高分子凝胶、导电高分子材料、液晶高分子材料、超分子系统、金属高分子复合材料等。其中，高分子凝胶以良好的生物相容性引起了广泛的关注。水凝胶是一种以水为分散介质的凝胶物质，其含水量高，性质柔软，广泛应用于生物工程，药物工程等领域。介电弹性体是一类在外加电场激励下可以发生变形以进行能量转换的新型材料，在仿生学、生物医学等领域应用广泛，其具有大变形、质量轻、无噪声等优点。水凝胶和介电弹性体都属于柔性材料，在近年来各界学者也进行了广泛的研究，其理论研究和实际应用都得到了较大的发展。然而，鲜有关于将水凝胶与介电弹性体结合，利用两者各自的优势，研究出新型仿生结构的研究工作。
由于皮肤与皮下组织的紧密粘结，皮肤可以保护着肌肉等组织，且皮肤具有损伤愈合能力。而现有的人工肌肉，大多遭遇损伤后无法重复再利用，无法实现真正的仿生。利用介电弹性体和水凝胶的结合，可以很好地解决损伤修复问题。介电弹性体可以作为皮肤来保护水凝胶，而水凝胶可以作为肌肉基体来支撑介电弹性体，保证介电弹性体在损伤时，裂纹不会进一步扩展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法。该基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块能够利用水凝胶和介电弹性体两者各自的性能优势，且能够很好的解决人工肌肉的损伤修复问题，且结构简单，制备工艺简便。
为达到上述目的，本发明所述的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块包括双网络水凝胶和介电弹性体，双网络水凝胶作为导电层和人工肌肉支撑层；介电弹性体覆盖在双网络水凝胶外表面，其作为驱动层，在电场激励下变形而将电能转化成动能，该介电弹性体为经过预拉伸的介电弹性体薄膜。
作为优选，本发明的双网络水凝胶设置在两个介电弹性体薄膜之间。
本发明所述的介电弹性体具备电响应的特点，能够在外界电场的激励下进行变形，从而将电场力转化为机械力，且当电场消失后能够回复到原始的形状。
本发明所述的双网络水凝胶可以支撑整个人工肌肉驱动模块，并为所述的介电弹性体保持一定的预拉伸，同时在外界电场消失后，可以与介电弹性体一起为整个人工肌肉模块提供回复力。
本发明所述的双网络水凝胶为包括物理交联和化学交联的两次交联过程的水凝胶，其中第一次交联形成的网络为物理交联网络，使水凝胶具备初步的形状；第二次交联形成的网络为化学交联网络，使水凝胶具有较好的弹性变形能力，同时使水凝胶能够与介电弹性体进行牢固的粘结。
作为优选，本发明的第一交联的单体为海藻酸钠，第二次交联的单体为丙烯酰胺。
本发明所述的双网络水凝胶需要进行两次交联固化，从而在便于形状设计的同时具有良好的力学性能，能够承受较大的变形而不发生破坏，具有良好的刚度，模量为20-80KPa。
本发明所述的介电弹性体具备较高的介电常数，能够产生较大的电致变形，透明且弹性好，预拉伸前薄膜的厚度在0.5-2mm之间，模量在20-100KPa之间。
本发明所述的介电弹性体可采用聚氨酯弹性体、硅胶、丙烯酸酯等材料。
作为优选，所述的介电弹性体为3M公司生产的VHB，所述的介电弹性体处于预拉伸状态，预拉伸的方向与倍数可根据实际情况调整。
本发明还提供了一种基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块的制备方法：
制备一定形状的介电弹性体薄膜，优选为3M公司的VHB4910，进行双轴拉伸3倍(3×3拉伸)之后固定在硬质框架上；
取一定质量丙烯酰胺、海藻酸钠、丙烯酰胺交联剂、海藻酸钠交联剂和光引发剂，溶解制备混合液，其中海藻酸钠与丙烯酰胺质量比为12.5%，丙烯酰胺交联剂与丙烯酰胺质量比为0.08%，光引发剂与丙烯酰胺质量比为2.5%，海藻酸钠交联剂与丙烯酰胺质量比为2.8%。
搅拌离心去除气泡。搅拌半小时并离心去除气泡。
将离心后的溶液注入到模具中，然后置于低温箱中24小时，水凝胶完成了第一次固化，形成薄片状。
将完成第一次固化的水凝胶取出，夹在预先准备好的两张预拉伸的介电弹性体薄膜之间，除去气泡，加入导线，贴紧，然后将整个结构置于无氧的365nm紫外光下30分钟，水凝胶完成第二次固化并牢固的与介电弹性体薄膜粘结在一起。
除去介电弹性体薄膜所附的硬质框架，基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块制作完成。
除去硬质框架的人工肌肉模块，由于介电弹性体的预拉伸而会有收缩，收缩完成后，在水凝胶的支撑下，介电弹性体薄膜保留了大部分的预拉伸。
优选的，本发明的水凝胶的形状为中间厚边缘薄的圆形形状。
作为优选，第一次固化后水凝胶的形状为薄片状，长度与宽度相同或者接近，厚度为长度的1/30-1/20。
优选的，本发明的所述双网络水凝胶通过导线连接外电路正极，所述人工肌肉驱动模块外表面通过水或者水凝胶薄涂层与外电路负极相连接。
优选的，外电路电压为2KV-8KV左右。所述的人工肌肉驱动模块在实际使用时，外电路电压在4kV-9kV时效果最佳。外电路电压的具体大小根据实际运用时确定。
本发明所述的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块的工作原理如下；
预拉伸的介电弹性体薄膜与水凝胶贴合粘紧后，预拉伸的薄膜收缩，使水凝胶收缩或弯曲，最终达到一个平衡，使整个人工肌肉模块达到弯曲或者收缩的状态；此时在介电弹性体薄膜上加上高压电，薄膜舒张，使整个人工肌肉模块舒张。
本发明的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块在实际应用时，可以将其设置成不同的形状以适应不同的需求。且可以通过控制电路输出不同波形的电压来控制人工肌肉驱动模块的运行形状，易于实现且成本低廉。
附图说明
图1是本发明的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块的结构示意图。
图2a是本发明的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块的收缩状态的示意图。
图2b是本发明的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块的舒展状态的示意图。
其中，1/5-介电弹性体，2/4-双网络水凝胶。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，例如“顺时针”、“逆时针”、“向上”、“向下”等，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明所述的基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块包括双网络水凝胶2和介电弹性体1；介电弹性体1覆盖在双网络水凝胶2外表面。
本发明所述的介电弹性体1作为人工肌肉驱动模块的驱动层，能够在电场的激励下变形，从而将电能转化成机械能。
本发明所述的介电弹性体1为经过预拉伸的介电弹性体薄膜。
作为对本发明进一步的改进，本发明的双网络水凝胶2粘结设置在两个介电弹性体薄膜之间，双网络水凝胶2通过导线3与外界电路正极相连。
本发明所述的介电弹性体1具备电响应的特点，能够在外界电场的激励下进行变形，从而将电场力转化为机械力，且当电场消失后能够回复到原始的形状。
本发明所述的双网络水凝胶2能够作为人工机构驱动模块的导电层和结构支撑层，可以支撑整个人工肌肉驱动模块，并为所述的介电弹性体1保持一定的预拉伸量，同时在外界电场消失后，可以与介电弹性体1一起为整个人工肌肉模块提供回复力。
本发明所述的双网络水凝胶2为包括物理交联和化学交联的两次交联过程的水凝胶，其中第一次交联形成的网络为物理交联网络，使水凝胶具备初步的形状；第二次交联形成的网络为化学交联网络，使水凝胶具有较好的弹性变形能力，同时使水凝胶能够与介电弹性体进行牢固的粘结。
作为对本发明进一步的改进，本发明的第一交联的单体为海藻酸钠，第二次交联的单体为丙烯酰胺。
本发明所述的双网络水凝胶2需要进行两次交联固化，从而在便于形状设计的同时使其具有良好的力学性能，能够承受较大的变形而不发生破坏，具有良好的刚度，模量优选为20-80KPa。
本发明所述的介电弹性体1具备较高的介电常数，能够产生较大的电致变形，透明且弹性好，预拉伸前薄膜的厚度在0.5-2mm之间，模量在20-100KPa之间。
作为对本发明进一步的改进，本发明所述的介电弹性体1可采用聚氨酯弹性体、硅胶、丙烯酸酯等材料。
作为对本发明进一步的改进，所述的介电弹性体1为3M公司生产的VHB，所述的介电弹性体1处于预拉伸状态，预拉伸的方向与倍数可根据实际情况进行调整。
实施例2
作为具体实施例如图2所示，人工肌肉驱动模块呈碗状，本实施例中将人工肌肉驱动模块置于水中，将水连接到外界电路负极，双网络水凝胶4通过导线与外界电路正极相连。通过施加电场，使人工肌肉驱动模块收缩和舒张，图2a和2b为本实施例的驱动模块收缩和舒张的使用状态示意图。
本发明还提供了一种基于双网络水凝胶和介电弹性体的人工肌肉驱动模块的制备方法：
制备一定形状的介电弹性体薄膜，优选为3M公司的VHB4910，进行双轴拉伸3倍(3×3拉伸)之后固定在硬质框架上。
取一定质量丙烯酰胺、海藻酸钠、丙烯酰胺交联剂、海藻酸钠交联剂和光引发剂，溶解制备混合液，其中海藻酸钠与丙烯酰胺质量比为12.5%，丙烯酰胺交联剂与丙烯酰胺质量比为0.08%，光引发剂与丙烯酰胺质量比为2.5%，海藻酸钠交联剂与丙烯酰胺质量比为2.8%。
搅拌离心去除气泡；搅拌半小时并离心去除气泡。
将离心后的溶液注入到模具中，然后置于低温箱中24小时，水凝胶完成了第一次固化，形成薄片状。
将完成第一次固化的水凝胶取出，夹在预先准备好的两张预拉伸的介电弹性体薄膜之间，除去气泡，加入导线，贴紧，然后将整个结构置于无氧的365nm紫外光下30分钟，水凝胶完成第二次固化并牢固的与介电弹性体薄膜粘结在一起。
除去介电弹性体薄膜所附的硬质框架，基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块制作完成。
除去硬质框架的人工肌肉模块，由于介电弹性体的预拉伸而会有收缩，收缩完成后，在水凝胶的支撑下，介电弹性体薄膜保留了大部分的预拉伸。
作为对本发明进一步的改进，本发明的双网络水凝胶2的形状为中间厚边缘薄的圆形形状。
作为对本发明进一步的改进，第一次固化后水凝胶的形状为薄片状，长度与宽度相同或者接近，厚度为长度的1/30-1/20。
本发明利用介电弹性体薄膜的电驱动特性和水凝胶的高含水量，提出了一种人工肌肉，即可以电驱动，又拥有较好的生物相容性，利用此原理制作的人工肌肉与生物肌肉形似，可以根据不同的应用定制不同的形状，此外，由于介电弹性体与水凝胶的紧密贴合，在介电薄膜发生点电击穿时，不会发生裂纹扩展，因此可以修复，解决了介电类人工肌肉寿命短的问题。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块，包括双网络水凝胶，其特征在于，
还包括覆盖在双网络水凝胶外表面的介电弹性体；
所述双网络水凝胶粘固设置在两个介电弹性体之间；
所述双网络水凝胶包括两次交联过程，其中第一次交联形成的网络为物理交联网络，第二次交联形成的网络为化学交联网络；
所述介电弹性体为预拉伸的介电弹性薄膜；
所述物理交联网络的网络单体为海藻酸钠；
所述化学交联网络的网络单体为丙烯酰胺；
还包括以下制备步骤：
制备一定形状的介电弹性体薄膜，进行双轴拉伸之后固定在硬质框架上；
取一定质量丙烯酰胺、海藻酸钠、丙烯酰胺交联剂、海藻酸钠交联剂和光引发剂，溶解制备混合液，其中海藻酸钠与丙烯酰胺质量比为12.5％，丙烯酰胺交联剂与丙烯酰胺质量比为0.08％，光引发剂与丙烯酰胺质量比为2.5％，海藻酸钠交联剂与丙烯酰胺质量比为2.8％；
搅拌离心去除气泡；
将离心后的溶液注入到模具中，然后置于低温箱中24小时，水凝胶完成了第一次固化，形成薄片状；
将完成第一次固化的水凝胶取出，夹在预先准备好的两张预拉伸的介电弹性体薄膜之间，除去气泡，加入导线，贴紧，然后将整个结构置于无氧的365nm紫外光下30分钟，水凝胶完成第二次固化并牢固的与介电弹性体薄膜粘结在一起；
除去介电弹性体薄膜所附的硬质框架，基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块制作完成。
2.根据权利要求1所述的基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块，其特征在于，所述人工肌肉驱动模块的双网络水凝胶通过导线与外界电场正极相连，所述人工肌肉驱动模块通过水与外界电场负极相连。
3.根据权利要求1所述的基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块，其特征在于，所述介电弹性体的驱动电压为2kV-8kV。
4.根据权利要求1所述的基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块，其特征在于，所述介电弹性体为聚氨酯弹性体、硅胶或丙烯酸酯弹性体。
5.根据权利要求1所述的基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块，其特征在于，所述双网络水凝胶的形状为中间厚边缘薄的形状。
6.根据权利要求1所述的基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块，其特征在于，第一次固化后水凝胶的形状为薄片状，长度与宽度相同，厚度为长度的1/30-1/20。
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