CN111230838A - 一种基于形状记忆合金的蠕动机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆合金的蠕动机器人，由主动应力层、下记忆层、粘接层、上记忆层和被动应力层叠加而成，并通过铰链条分为多个形状记忆驱动单元。本发明基于不同材料热膨胀系数不匹配结构自动变形的原理，利用形状记忆合金材料，通过对二维平面轮廓设计而成，在保证微型机器人具有快速爬行能力的同时极大的简化了结构，并且使得机器人设计方案满足利用MEMS制备工艺进行制造所需条件，具有结构功能一体化、尺寸小、爬行速度快、控制方便和生产成本低，因此应用范围广泛，有助于军事侦察任务及灾后重建，降低介入式医疗实施的复杂性和医疗器械成本，能够提高手术的精确性和普及性，提高微小管道内维修的精度和效率，具有广阔的军民两用前景。

Description

一种基于形状记忆合金的蠕动机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于形状记忆合金、身长小于10毫米的微型蠕动机器人。

背景技术

微型爬行机器人凭借其尺寸小，隐蔽性好，高度的渗透性以及卓越的精确度，能够代替人类到达狭窄的空间、地下、水下以及人体内等区域进行精细化作业，因而在军事侦察、航空航天、医疗、工业以及其他民用方面展现出不可比拟的优势，具有广泛而深远的应用价值。其中，仿生蚯蚓蠕动的微型机器人相比于其他微型爬行机器人，具有径向尺寸小，结构简单可靠，隐蔽性强等诸多优点。有助于军事侦察任务及灾后重建，降低介入式医疗实施的复杂性和医疗器械成本，并提高此类手术的精确性和普及性，提高微小管道内维修的精度和效率，因此具有重要的军民应用价值，已经得到了研究者们的广泛关注。

作为微型机器人的技术核心，微型驱动技术决定了微型机器人的尺寸和性能。目前微型机器人的主要驱动方式有：静电驱动，压电陶瓷驱动，电磁驱动，热驱动，气动驱动以及形状记忆合金驱动。以气动方式进行驱动的微型蠕动机器人尺寸大，行进时伴随机器人各节的收缩膨胀，运动速度很慢；电磁驱动的微型蠕动机器人结构复杂、对激励条件要求很高；静电驱动的蠕动机器人驱动力小、负载能力差；压电陶瓷驱动的蠕动机器人工作电压高、驱动行程小。以上各种驱动方式的蠕动机器人均具有显著缺点，目前的实际应用受限。相比于上述驱动方式，形状记忆合金驱动具有高能量密度，强驱动力，大致动距离，优良的生物相容性等优越性能，成为了目前微型机器人的优选驱动方式之一。

韩国理工学院基于形状记忆合金驱动研制了一种仿生蚯蚓的微型机器人，其直径约为9.5mm，身长为50mm，由形状记忆合金弹簧驱动机构和硅波纹管组成，采用电池供电。运动时，形状记忆合金弹簧与波纹管可以模拟蚯蚓在运动时肌肉的收缩和舒张，在无线供电条件下进行自主运动，爬行速度约为10mm/min。意大利的微工程研究中心(Center ofResearch in Microengineering)研制的基于形状记忆合金驱动的仿生蚯蚓机器人由四个单元模块组成，每个单元由一条形状记忆合金弹簧进行伸缩驱动，将四个单元模块连接起来后，各节协调变形，顺序运动，能够仿照蚯蚓进行蠕动前行，采用丝径100μm的NiTi合金丝弹簧，在600mA的电流下，响应频率为0.47Hz，运动速度0.22mm/s，最大牵引力5.8mN。麻省理工大学的SangokSeok等人研制了基于镍钛线圈作动器，使用柔性编织网状管结构实现顺序拮抗运动的蚯蚓机器人，该机器人极为逼真地仿生了蚯蚓的蠕动方式，利用柔性网状结构产生倒行蠕动波推动机器人以3mm/s的平均速度前进，同时，整个机械结构采用柔性网状材料，在运行过程中能够承受较大的外部冲击。以上几种形状记忆合金驱动的蠕动机器人均采用传统的形状合金丝驱动机构设计与制造方法，因此结构复杂，尺寸大，退火需要模具，生产成本高。除此之外，形状记忆合金需要通过对结构进行温度改变从而实现驱动，因而散热效率低下导致了形状记忆合金驱动机构具有低响应速率的固有缺点。所以上述的几种形状记忆合金驱动微型机器人爬行速度很慢，限制了其在军事侦察、航空航天、医疗、工业和其他民用方面的应用前景。

为了解决传统形状记忆合金丝散热速率低，动态响应慢的问题，相关研究学者基于MEMS技术，提出了形状记忆合金薄膜理论。相比于形状记忆合金丝，形状记忆合金薄膜因表面积体积比大、散热速率快，所以响应频率高，可达50Hz以上。但受制于MEMS设计与制造技术，目前制备的形状记忆合金薄膜结构不仅特征尺寸精度低，并且无法一次直接成型和制造出具有三维结构的形状记忆合金薄膜，因此目前形状记忆合金薄膜主要应用于二维微执行器设计与制造上。

目前，高隐蔽性和高渗透性的环境侦察、地震等自然灾害后废墟中的生命检测与救援、人体内的微创介入医疗以及微小管道中的检测维修等，都对微型爬行机器人有着迫切的需求。仿生蚯蚓蠕动的微型机器人具有径向方向上变形尺度小、运动可靠的优点，在上述狭小空间环境作业中具有重大的应用价值和深远的应用前景。目前的微型蠕动机器人按驱动方式可以分为气动驱动、电驱动、形状记忆合金驱动等，这些微型蠕动机器人存在很多不足，气动驱动和电驱动的机器人尺寸大、结构复杂；形状记忆合金驱动的机器人响应频率低、运动速度慢、生产成本高。这些缺点限制了微型蠕动机器人的广泛应用。

在公开号为CN109512487A的发明创造中公开了一种高精度三维结构形状记忆合金薄膜的制造方法和一种蛇形铰链条机构，该制造方法结合电子束沉积、光刻胶剥离和二氟化氙等MEMS制备工艺，利用不同材料热膨胀系数不匹配结构自动发生变形的原理，能够制造出精度达0.5微米的三维结构形状记忆合金薄膜，CN109512487A提出的蛇形铰链条机构包括两段正弦曲线形状的形状记忆合金薄膜、两个锚片和一个粘接片，锚片处于两段正弦曲线形状记忆合金中部，一体化成形，两蛇形铰链条机构上下放置，粘接片上表面与上锚片贴合，粘接片下表面与下锚片贴合，除此之外两蛇形铰链条机构间为空隙无接触。该机构能够减小锚片处的局部刚度系数，平衡驱动机构的整体弯曲刚度，效果类似于可绕轴转动的铰链，使得驱动机构在退火后能够顺利展开。该形状记忆合金薄膜制备方法和蛇形铰链条机构实现了三维形状记忆合金薄膜和三维转动铰链的设计和制造，填补了MEMS二维制备工艺无法制造三维结构的空白。

CN109512487A中提出的蛇形铰链条机构缺陷在于其是一种单铰链，因此只能使用在驱动机构的边缘，不能实现复合铰链功能，不能作为连接件将多个驱动机构进行连接。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能实现复合铰链功能，不能作为连接件将多个驱动机构进行连接的不足，本发明提出了一种基于形状记忆合金的蠕动机器人。

本发明由主动应力层、下记忆层、粘接层、上记忆层和被动应力层叠加而成，并通过铰链条分为多个形状记忆驱动单元；各所述形状记忆驱动单元中均包括上铝膜条、下铝膜条、上形状记忆合金条、下形状记忆合金条、上锚片、下锚片和粘接片；所述主动应力层、下记忆层、粘接层、上记忆层和被动应力层依次自下而上叠加；其中：

所述主动应力层由多个驱动电极和多个下铝膜条组成；下记忆层由多个下形状记忆合金条和多个铰链条组成；粘接层由多个粘接片组成；上记忆层由多个上形状记忆合金条和多个铰链条组成；被动应力层由多个上铝膜条组成；所述各层相贴合的表面均为平面；

当所述各层依次组合后，位于下记忆层的下形状记忆驱动单元层与位于上记忆层的上形状记忆驱动单元层形成了多节形状记忆驱动单元。

所述主动应力层、下记忆层、上记忆层和被动应力层均分别为矩形的一体件。

所述主动应力层和被动应力层均采用铝制成；所述下记忆层和上记忆层均采用记忆合金制成；所述粘接层采用硅制成。

所述下记忆层和上记忆层均为镂空的网格状；

所述下记忆层中，多条下形状记忆合金条分为纵向合金条和横向合金条，并使各纵向合金条和横向合金条纵横交错的组成多排多列的方形镂空网格，该镂空网格的边长为100微米；在该下记忆层中，间隔的分布有多根铰链条，并以各所述铰链条替代该位置的纵向合金条；所述各铰链条之间的间距为1000微米；

所述的铰链条由多段下蛇形铰链条7与多个下锚片间隔排布组成，并使各下锚片居各方形镂空网格边的中间位置，所述下锚片通过铰链条与横向下形状记忆合金条两端相连；通过所述铰链条将该下记忆层分为多节下形状记忆驱动单元层；

所述上记忆层中，多条上形状记忆合金条分为纵向合金条和横向合金条，并使各纵向合金条和横向合金条纵横交错的组成多排多列的方形镂空网格，该镂空网格的边长为100微米；在该上记忆层中，间隔的分布有多根铰链条，并以各所述铰链条替代该位置的纵向合金条；所述各铰链条之间的间距为1000微米；所述的铰链条由多段上蛇形铰链条与多个上锚片间隔排布组成，并使各下锚片居各方形镂空网格边的中间位置，所述上锚片通过铰链条与横向上形状记忆合金条两端相连；通过所述铰链条将该上记忆层分为多节上形状记忆驱动单元层。

所述下记忆层的网格数量、网格的边长，以及铰链条的数量和位置均与上记忆层的网格数量、网格的边长，以及铰链条的数量和位置相同；所述下记忆层的铰链条中下锚片的数量与所述上记忆层的铰链条中上锚片相同，并且位置相对应。

各所述铰链条中采用双铰链，并且铰链条中的上锚片与下锚片均为椭圆形；所述上锚片与下锚片的长轴为60微米，短轴为40微米。

所述粘接片均为椭圆形；该粘接片的长轴为50微米，短轴为30微米。

所述主动应力层的厚度和被动应力层的厚度均为0.3微米；下记忆层的厚度和上记忆层的厚度均为0.5微米；所述粘接层的厚度为0.5微米。

所述主动应力层和被动应力层均由多个铝膜条构成；其中：

所述主动应力层的铝膜条为下铝膜条；该下铝膜条的长度与所述一个形状记忆驱动单元中纵向合金条的长度相同；该下铝膜条数量＝下记忆层中纵向合金条的数量×形状记忆驱动单元的数量；各下铝膜条沉积在所述下记忆层中各形状记忆驱动单元中纵向合金条的下表面；在位于所述主动应力层各形状记忆驱动单元两侧的各下铝膜条的外侧均布有多个与该下铝膜条为一体的驱动电极；所述驱动电极在该主动应力层两侧对称分布；各所述驱动电极分别位于该形状记忆驱动单元两侧边长的中部；所述驱动电极的数量＝形状记忆驱动单元数量×2；

所述被动应力层的铝膜条为上铝膜条；所述上铝膜条的长度与所述一个形状记忆驱动单元中纵向合金条的长度相同；该上铝膜条数量＝上记忆层中纵向合金条的数量×形状记忆驱动单元的数量；采用常规的沉积法将各上铝膜条沉积在所述上记忆层中各形状记忆驱动单元中纵向合金条的上表面。

所述粘接层由多个粘接片组成；该粘接片的数量与各所述铰链条上的上锚片或下锚片的数量相同；各所述粘接片沉积在下记忆层锚片的上表面，形成粘接层；将所述上记忆层放置在该粘接层的上表面，并使该上记忆层中各铰链条中的上锚片的下表面与所述粘接层中个粘接片的上表面贴合。

本发明基于不同材料热膨胀系数不匹配结构自动变形的原理，利用形状记忆合金材料，通过对二维平面轮廓设计而成。该微型蠕动机器人可通过MEMS制备工艺进行批量制造，具有结构功能一体化、尺寸小、爬行速度快、控制方便和生产成本低等优点。

本发明提出的微型蠕动机器人通过电子束沉积，光刻胶剥离和二氟化氙干刻蚀等常规MEMS工艺进行一体化制备，将上述各层金属按下铝膜条、下形状记忆合金条，粘接片，上形状记忆合金条和上铝膜条的顺序逐层沉积而成。将该微型蠕动机器人从室温置于500摄氏度以上的真空熔炉中进行退火后，各节驱动单元由于结构中形状记忆合金薄膜和铝膜热膨胀系数不匹配产生热应力，结构自动发生弯曲直至平衡热应力，因此各驱动单元的上铝膜和上形状记忆合金薄膜结构向下弯曲，下铝膜和下形状记忆合金薄膜结构向上弯曲，各驱动单元自动变形为预期的三维圆柱结构并记忆该形状，该过程可摆脱退火模具限制，实现无需模具退火。将该微型蠕动机器人重新置于室温后恢复变形，当对某驱动单元的驱动电极通电，利用焦耳效应使该节驱动单元温度升高至相变温度以上，形状记忆合金的形状记忆功能会主导驱动单元变形为三维圆柱结构并在机器人身长方向上收缩以产生驱动距离，断电后该驱动单元结构温度降低至相变温度以下，铝的回复应力会主导驱动单元恢复为二维平面结构，对各驱动单元进行协同电控制使其顺序协调变形，能够使本发明提出的微型蠕动机器人产生如同蚯蚓一般的蠕动前行。

本发明通过巧妙设计各层金属薄膜平面轮廓及层间连接方式，在保证微型机器人具有快速爬行能力的同时极大的简化了结构，并且使得机器人设计方案满足利用MEMS制备工艺进行制造所需条件。

通过MEMS制备工艺对微型蠕动机器人进行一体化制造，打破了现有微型机器人的设计与制造思路，使得机器人直径不超过2毫米，尺寸可达毫米级，并可进行批量化制造，利用不同材料热膨胀系数不匹配结构自动变形的原理，摆脱了形状记忆合金结构退火需要模具的限制，使得退火无须模具，从而大大降低了生产成本。利用形状记忆合金薄膜进行驱动，其表面积体积比≥3，因此散热快，机器人驱动单元响应频率可达50Hz，是现有基于形状记忆合金驱动的微型机器人驱动单元响应频率(1Hz)的数十倍，使得该微型蠕动机器人的最快爬行速度能够达到每秒1.25倍身长，远高于目前微型蠕动机器人的爬行效率。利用脉冲电压对各节进行协调电控制使各节驱动单元顺序协调变形即可产生蠕动运动，控制方便，额定电压低于1V，额定功率低于5W，能耗低。

本发明在微型蠕动机器人的设计中采用并改进了CN109512487A所提出的蛇形铰链条机构，通过增大蛇形铰链条机构中锚片与粘接片的面积，在提高蛇形铰链条机构强度的同时，将两组正弦曲线形状记忆合金连接在同一锚片上，各组正弦曲线薄膜可以独立的连接其他驱动机构，使得该机构实现了复合铰链功能，并且可以作为连接件使用在微型蠕动机器人中，将各个驱动单元连接起来，极大了增强了蛇形铰链条的功能并拓展了其应用范围。

所提出的基于形状记忆合金的微型蠕动机器人，因其具有结构简单，尺寸小，直径可达2毫米左右，控制方便，功率低于5W，能耗低，并且采用MEMS批量制造，生产成本低，因此应用范围广泛，有助于军事侦察任务及灾后重建，降低介入式医疗实施的复杂性和医疗器械成本，并提高此类手术的精确性和普及性，提高微小管道内维修的精度和效率，在未来具有广阔的军民两用前景。

附图说明

图1a为本发明的结构示意图；

图1b为退火后微型蠕动机器人三维结构示意图；

图2为微型蠕动机器人爆炸视图；

图3为驱动单元结构示意图；

图4为驱动单元A-A剖面图；

图5为驱动单元B-B剖面图；

图6为驱动单元中形状记忆合金薄膜网格结构示意图；

图7为驱动单元中下铝膜和驱动电极的示意图；

图8为微型蠕动机器人运动初始状态示意图；

图9为微型蠕动机器人运动步骤一示意图；

图10为微型蠕动机器人运动步骤二示意图；

图11为微型蠕动机器人运动步骤三示意图；

图12为微型蠕动机器人运动步骤四示意图；

图13为微型蠕动机器人运动步骤五示意图；

图中：1.上铝膜条；2.上形状记忆合金条；3.上锚片；4.上蛇形铰链条；5.粘接片；6.下锚片；7.下蛇形铰链条；8.下形状记忆合金条；9.下铝膜条；10.驱动电极。

具体实施方式

本实施例是一种基于形状记忆合金的蠕动机器人。该蠕动机器人的身长为4毫米。

所述基于形状记忆合金的微型蠕动机器人由五层叠加而成，并通过铰链条分为多个形状记忆驱动单元；各形状记忆驱动单元包括上铝膜条1、下铝膜条9、上形状记忆合金条2、下形状记忆合金条8、铰链条、上锚片3、下锚片6和粘接片5。所述五层中，自下自上：第一层为主动应力层，该主动应力层由多个驱动电极10和多个下铝膜条9组成，所述下铝膜条和驱动电极的厚度均为0.3微米；第二层为下记忆层，该下记忆层由多个下形状记忆合金条8和多个铰链条组成；所述下形状记忆合金条和铰链条的厚度均为0.5微米；第三层为粘接层，该粘接层由多个粘接片5组成，该粘接片采用厚度为0.5微米的硅制成；第四层为上记忆层，该上记忆层由多个上形状记忆合金条2和多个铰链条组成，所述上形状记忆合金条和铰链条的厚度均为0.5微米；第五层为被动应力层，该被动应力层由多个上铝膜条1组成；所述上铝膜条的厚度为0.3微米。所述各层相贴合的表面均为平面。

所述主动应力层、下记忆层、上记忆层和被动应力层均分别为矩形的一体件。其中：

所述下记忆层和上记忆层均为镂空的网格状。

所述下记忆层中，多条下形状记忆合金条8分为纵向合金条和横向合金条，并使各纵向合金条和横向合金条纵横交错的组成多排多列的方形镂空网格，该镂空网格的边长为100微米。在该下记忆层中，间隔的分布有多根铰链条，并以各所述铰链条替代该位置的纵向合金条。所述各铰链条之间的间距为1000微米。

所述的铰链条由多段下蛇形铰链条7与多个下锚片6间隔排布组成，并使各下锚片6居各方形镂空网格边的中间位置，所述下锚片6通过铰链条与横向下形状记忆合金条8两端相连。通过所述铰链条将该下记忆层分为多节下形状记忆驱动单元层。

所述上记忆层中，多条上形状记忆合金条2分为纵向合金条和横向合金条，并使各纵向合金条和横向合金条纵横交错的组成多排多列的方形镂空网格，该镂空网格的边长为100微米。在该上记忆层中，间隔的分布有多根铰链条，并以各所述铰链条替代该位置的纵向合金条。所述各铰链条之间的间距为1000微米。所述的铰链条由多段上蛇形铰链条4与多个上锚片3间隔排布组成，并使各上锚片3居各方形镂空网格边的中间位置，所述上锚片3通过铰链条与横向上形状记忆合金条2两端相连。通过所述铰链条将该上记忆层分为多节上形状记忆驱动单元层。

所述下记忆层的网格数量、网格的边长，以及铰链条的数量和位置均与上记忆层的网格数量、网格的边长，以及铰链条的数量和位置相同。所述下记忆层的铰链条中下锚片6的数量与所述上记忆层的铰链条中上锚片3相同，并且位置相对应。

本实施例中，所述上记忆层和下记忆层中使用的形状记忆合金均为镍钛合金。

各所述铰链条中采用双铰链，并且铰链条中的上锚片与下锚片均为椭圆形；各所述上锚片与下锚片的长轴均为60微米，短轴为40微米。各所述粘接片均为椭圆形；该粘接片的长轴为50微米，短轴为30微米。

所述主动应力层和被动应力层均由多个铝膜条构成。其中：

构成所述主动应力层的铝膜条为下铝膜条9。所述下铝膜条的长度与所述一个驱动单元中纵向合金条的长度相同；该下铝膜条数量＝下记忆层中纵向合金条的数量×驱动单元的数量。采用常规的沉积法将各下铝膜条9沉积在所述下记忆层中各驱动单元中纵向合金条的下表面。在位于所述主动应力层的各下铝膜条9的外侧对称的均布有多个与该下铝膜条为一体的驱动电极10，并使各所述驱动电极分别位于所在形状记忆驱动单元两侧边长的中部。所述驱动电极的数量＝驱动单元数量×2。

构成所述被动应力层的铝膜条为上铝膜条1。所述上铝膜条的长度与所述一个驱动单元中纵向合金条的长度相同；该上铝膜条数量＝上记忆层中纵向合金条的数量×驱动单元的数量。采用常规的沉积法将各上铝膜条1沉积在所述上记忆层中各驱动单元中纵向合金条的上表面。

所述粘接层由多个粘接片5组成。该粘接片的数量与各所述铰链条上的上锚片3或下锚片6的数量相同。各所述粘接片采用常规的沉积方法沉积在下记忆层锚片的上表面；将每组粘接片分别粘接在下记忆层中各下锚片6的上表面，形成粘接层；将所述上记忆层放置在该粘接层的上表面，并使该上记忆层中各铰链条中的上锚片3的下表面与所述粘接层中个粘接片5的上表面贴合。

当所述所述主动应力层、下记忆层、粘接层、上记忆层和被动应力层依次组合后，分别位于下记忆层的多节下形状记忆驱动单元层与位于上记忆层的多节上形状记忆驱动单元层形成了多节所述基于形状记忆合金的微型蠕动机器人的形状记忆驱动单元。本实施例中，所述形状记忆驱动单元的数量为4节，分别为第一节形状记忆驱动单元、第二节形状记忆驱动单元、第三节形状记忆驱动单元和第四节形状记忆驱动单元。

在使用本实施例时，将该微型蠕动机器人从室温置于500摄氏度以上的真空熔炉中进行退火，由于结构中形状记忆合金条与铝膜条的热膨胀系数不匹配，该微型蠕动机器人中的各节驱动单元自动发生弯曲直至平衡热应力，使各驱动单元的上铝膜条和上形状记忆合金条向下弯曲，下铝膜条和下形状记忆合金条向上弯曲，各驱动单元自动变形为三维圆柱结构并记忆该形状。

微型蠕动机器人的驱动单元能够独立地进行伸长和缩短间的模态转换，通过对各单元进行通断电协调控制产生蠕动运动。以四节单元为例，其运动过程为：

第一步，如图8所示为微型蠕动机器人初始状态，此时各驱动单元均处于通电收缩状态。

第二步，如图9所示，首先对第一节驱动单元的驱动电极10断电，导致该驱动单元的温度迅速降至相变温度以下，该第一节驱动单元中的上形状记忆合金条2和下形状记忆合金条8形状记忆功能消失，由上铝膜条1和下铝膜条9所产生的内部回复应力会促使该第一节驱动单元恢复为二维平面结构并产生伸长。同时，该微型蠕动机器人其余三节驱动单元中的驱动电极10保持通电，使该三节驱动单元中的上形状记忆合金条2和下形状记忆合金条8的形状记忆功能保持三维圆柱形并静止于地面，从而使后三节驱动单元所提供的静摩擦力大于第一节驱动单元由于收缩运动所产生的动摩擦力，因此，在运动周期的第一步后，微型蠕动机器人的第一节驱动单元向前运动了一段距离，该段距离为该第一节驱动单元伸长所产生的位移变化量，也是一个周期内微型蠕动机器人前进的步距。

第三步，如图10所示，对所述第一节驱动单元的驱动电极10重新通电，同时对第二节驱动单元的驱动电极10断电，重复第一步的运动过程，使第二节驱动单元恢复为二维平面结构而产生伸长，第一节驱动单元恢复至三维圆柱形状，因此，在运动周期的第二步后，第一节驱动单元将第一步产生的运动位移传递至第二节驱动单元。

第四步，如图11所示，对第二节驱动单元的驱动电极10重新通电，同时对第三节驱动单元的驱动电极10断电，重复第二步的运动结过程果，第三节驱动单元恢复为二维平面结构而产生伸长，第二节驱动单元恢复至三维圆柱形状，因此，在运动周期的第三步后，第二节驱动单元将第二步产生的运动位移传递至第三节驱动单元。

第五步，如图12所示，对第三节驱动单元的驱动电极10重新通电，同时对第四节驱动单元的驱动电极10断电，重复第三步的运动过程，第四节驱动单元恢复为二维平面结构而产生伸长，第三节驱动单元恢复至三维圆柱形状，因此，在运动周期的第四步后，第三节驱动单元将第三步产生的运动位移传递至第四节驱动单元。

第六步如图13所示，对第四节驱动单元的驱动电极10重新通电，同时对第一节驱动单元的驱动电极10断电，重复第四步的运动过程，第一节驱动单元恢复为二维平面结构而产生伸长，第四节驱动单元恢复至三维圆柱形状，因此，在运动周期的第五步后，第四节驱动单元将第一步产生的运动位移传递至第一节驱动单元。微型蠕动机器人重新回到运动第一步状态，重复上述步骤继续开始下一周期的运动。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，由主动应力层、下记忆层、粘接层、上记忆层和被动应力层叠加而成，并通过铰链条分为多个形状记忆驱动单元；各所述形状记忆驱动单元中均包括上铝膜条、下铝膜条、上形状记忆合金条、下形状记忆合金条、上锚片、下锚片和粘接片；所述主动应力层、下记忆层、粘接层、上记忆层和被动应力层依次自下而上叠加；其中：

所述主动应力层由多个驱动电极和多个下铝膜条组成；下记忆层由多个下形状记忆合金条和多个铰链条组成；粘接层由多个粘接片组成；上记忆层由多个上形状记忆合金条和多个铰链条组成；被动应力层由多个上铝膜条组成；所述各层相贴合的表面均为平面；

当所述各层依次组合后，位于下记忆层的下形状记忆驱动单元层与位于上记忆层的上形状记忆驱动单元层形成了多节形状记忆驱动单元。

2.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述主动应力层、下记忆层、上记忆层和被动应力层均分别为矩形的一体件。

3.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述主动应力层和被动应力层均采用铝制成；所述下记忆层和上记忆层均采用记忆合金制成；所述粘接层采用硅制成。

4.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述下记忆层和上记忆层均为镂空的网格状；

所述下记忆层中，多条下形状记忆合金条分为纵向合金条和横向合金条，并使各纵向合金条和横向合金条纵横交错的组成多排多列的方形镂空网格，该镂空网格的边长为100微米；在该下记忆层中，间隔的分布有多根铰链条，并以各所述铰链条替代该位置的纵向合金条；所述各铰链条之间的间距为1000微米；

所述的铰链条由多段下蛇形铰链条7与多个下锚片间隔排布组成，并使各下锚片居各方形镂空网格边的中间位置，所述下锚片通过铰链条与横向下形状记忆合金条两端相连；通过所述铰链条将该下记忆层分为多节下形状记忆驱动单元层；

所述上记忆层中，多条上形状记忆合金条分为纵向合金条和横向合金条，并使各纵向合金条和横向合金条纵横交错的组成多排多列的方形镂空网格，该镂空网格的边长为100微米；在该上记忆层中，间隔的分布有多根铰链条，并以各所述铰链条替代该位置的纵向合金条；所述各铰链条之间的间距为1000微米；所述的铰链条由多段上蛇形铰链条与多个上锚片间隔排布组成，并使各下锚片居各方形镂空网格边的中间位置，所述上锚片通过铰链条与横向上形状记忆合金条两端相连；

通过所述铰链条将该上记忆层分为多节上形状记忆驱动单元层。

5.如权利要求3所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述下记忆层的网格数量、网格的边长，以及铰链条的数量和位置均与上记忆层的网格数量、网格的边长，以及铰链条的数量和位置相同；所述下记忆层的铰链条中下锚片的数量与所述上记忆层的铰链条中上锚片相同，并且位置相对应。

6.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，各所述铰链条中采用双铰链，并且铰链条中的上锚片与下锚片均为椭圆形；所述上锚片与下锚片的长轴为60微米，短轴为40微米。

7.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述粘接片均为椭圆形；该粘接片的长轴为50微米，短轴为30微米。

8.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述主动应力层的厚度和被动应力层的厚度均为0.3微米；下记忆层的厚度和上记忆层的厚度均为0.5微米；所述粘接层的厚度为0.5微米。

9.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述主动应力层和被动应力层均由多个铝膜条构成；其中：

所述主动应力层的铝膜条为下铝膜条；该下铝膜条的长度与所述一个形状记忆驱动单元中纵向合金条的长度相同；该下铝膜条数量＝下记忆层中纵向合金条的数量×形状记忆驱动单元的数量；各下铝膜条沉积在所述下记忆层中各形状记忆驱动单元中纵向合金条的下表面；在位于所述主动应力层各形状记忆驱动单元两侧的各下铝膜条的外侧均布有多个与该下铝膜条为一体的驱动电极；所述驱动电极在该主动应力层两侧对称分布；各所述驱动电极分别位于该形状记忆驱动单元两侧边长的中部；所述驱动电极的数量＝形状记忆驱动单元数量×2；

所述被动应力层的铝膜条为上铝膜条；所述上铝膜条的长度与所述一个形状记忆驱动单元中纵向合金条的长度相同；该上铝膜条数量＝上记忆层中纵向合金条的数量×形状记忆驱动单元的数量；采用常规的沉积法将各上铝膜条沉积在所述上记忆层中各形状记忆驱动单元中纵向合金条的上表面。

10.如权利要求1所述基于形状记忆合金的蠕动机器人，其特征在于，所述粘接层由多个粘接片组成；该粘接片的数量与各所述铰链条上的上锚片或下锚片的数量相同；各所述粘接片沉积在下记忆层锚片的上表面，形成粘接层；将所述上记忆层放置在该粘接层的上表面，并使该上记忆层中各铰链条中的上锚片的下表面与所述粘接层中个粘接片的上表面贴合。

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