CN111497958B - 一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，包括水凝胶基体和液态金属，不同响应温度的温敏水凝胶交错排布构成双层结构的水凝胶基体；所述水凝胶基体内设有通道，且所述通道依次按顺序贯穿不同响应温度的温敏水凝胶，所述通道填充液态金属，通过对液态金属施加周期电信号，使水凝胶基体产生周期形变。本发明利用电流通过液态金属时所产生的温度控制温敏水凝胶使其产生预期响应，从而实现液态金属温控水凝胶软体机器人的仿生蠕动运动。

Description

一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人。
背景技术
传统机器人都是由刚性模块通过有限自由度的运动副连接而成，弹性变形能力与灵活性有限，环境适应性差。为了提高机器人的柔性，研究者们开始研发模仿自然界软体动物的外形结构或运动模式的仿生蠕动软体机器人，由可承受大应变的柔软材料制成，具有多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸以适应多变复杂的地形轮廓，从而实现在非结构化环境中的高效蠕动运动行为，极大地弥补了传统机器人的不足。特别地，具有类似生物组织“软而湿”特点的智能水凝胶通过外届能量场微小变化发生的变形而产生驱动力，在一定程度上实现了爬行、抓取等仿生运动的“无尾化”供源与控制，引发了学术界的高度关注。
中国的专利公开了一种仿生轮足式软体机器人，该专利包括软体基体，行走机构，驱动机构以及末端执行器。软体机构是采用柔性硅橡胶制成的褶皱性结构的两个独立的气腔，当气腔内通入一定压力的气体时，两个气腔会膨胀变形呈拱形，当气体通过压力控制阀释放时，气腔会因为弹性力恢复，配合行走机构完成软体机器人的向前移动。该专利能够在恶劣复杂的环境中长期稳定工作，结构简单，但是无法适应狭隘变形的环境，灵活性不够。
中国的专利公开了一种气动仿蚯蚓软体机器人，该专利由不小于三节单节结构组成，单节结构包括轴向驱动器，套在轴向驱动器上的弹性外腔和气管，通过模仿蚯蚓的结构特性，实现轴向主动伸长径向被动收缩或径向主动膨胀轴向被动变形，完成模仿蚯蚓的蠕动爬行。该专利具有对外界环境适应能力强，爬行动作连续稳定等特点，但是结构复杂，气动驱动无法保证运动的准确性。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，利用电流通过液态金属时所产生的温度控制温敏水凝胶使其产生预期响应，从而实现液态金属温控水凝胶软体机器人的仿生蠕动运动。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，包括水凝胶基体和液态金属，不同响应温度的温敏水凝胶交错排布构成双层结构的水凝胶基体；所述水凝胶基体内设有通道，且所述通道依次按顺序贯穿不同响应温度的温敏水凝胶，所述通道填充液态金属，通过对液态金属施加周期电信号，使水凝胶基体产生周期形变。
进一步，所述水凝胶基体底部设有锯齿，且所述锯齿与底面的夹角为30-45°。
进一步，所述水凝胶基体包括第一温敏水凝胶和第二温敏水凝胶，所述第一温敏水凝胶的响应温度大于第二温敏水凝胶响应温度；若干所述第一温敏水凝胶和若干所述第二温敏水凝胶交错排布构成双层结构的水凝胶基体；若干所述第一温敏水凝胶和若干所述第二温敏水凝胶内分别设有通道，且每层所述水凝胶基体内的第一温敏水凝胶的通道与第二温敏水凝胶的通道连通。
进一步，所述第一温敏水凝胶或所述第二温敏水凝胶内的通道为曲线。
进一步，所述第一温敏水凝胶或所述第二温敏水凝胶内的通道为圆弧。
进一步，所述第一温敏水凝胶的响应温度为60℃-70℃；所述第二温敏水凝胶的响应温度为30℃-40℃。
进一步，通过对液态金属施加周期的高低电信号，使液态金属的温度发生变化，导致第一温敏水凝胶和第二温敏水凝胶产生形变。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，通过电热控制可以实现精度更高的行走运动，增强了对狭隘变形环境的适应性。
2.本发明所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，通过采用各向异性的水凝胶设计成双层结构，配合特有的足部仿生倒勾型结构更好的实现液态金属智能水凝胶软体机器人的仿生蠕动运动。
3.本发明所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，运动基体完全为软材料构成，保证了材料的整体柔性。
附图说明
图1为本发明所述双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人的俯视图。
图2为本发明所述双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人的正视图。
图3为本发明所述双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人的变化状态图。
图中：
1-水凝胶基体；2-铜线；3-水凝胶单元体；4-通道；5-第二温敏水凝胶；6-锯齿；7-第一温敏水凝胶。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，包括水凝胶基体1和液态金属，所述水凝胶基体1由若干水凝胶单元体3构成，所述水凝胶单元体3包括不同响应温度的第一温敏水凝胶7和第二温敏水凝胶5，第一温敏水凝胶7和第二温敏水凝胶5粘接在一起，所述水凝胶基体1内的第一温敏水凝胶7和第二温敏水凝胶5交错排布，构成双层结构的水凝胶基体1；若干所述第一温敏水凝胶7和若干所述第二温敏水凝胶5内分别设有通道4，且每层所述水凝胶基体1内的第一温敏水凝胶7的通道4与第二温敏水凝胶5的通道4连通，即水凝胶单元体3的第一温敏水凝胶7内的通道4与相邻水凝胶单元体3的第二温敏水凝胶5的通道4相连通，水凝胶单元体3的第二温敏水凝胶5内的通道4与相邻水凝胶单元体3的第一温敏水凝胶7的通道4相连通。如图1所示，所述水凝胶基体1一端的水凝胶单元体3内的第一温敏水凝胶7和第二温敏水凝胶5内的通道4相互连通。所述第一温敏水凝胶7或所述第二温敏水凝胶5内的通道4为两个相切的圆弧。
如图2所示，所述水凝胶基体1内的通道4依次按顺序贯穿不同响应温度的第一温敏水凝胶7和第二温敏水凝胶5，所述通道4填充液态金属，通过铜线5对所述水凝胶基体1另一端的水凝胶单元体3内的液态金属施加周期电信号，使水凝胶基体1产生周期形变。
所述水凝胶基体1底部设有锯齿6，且所述锯齿6与底面的夹角为30-45°，用于增加摩擦力。
所述第一温敏水凝胶7的响应温度为60℃-70℃；所述第二温敏水凝胶5的响应温度为30℃-40℃。液体金属为镓，当低电平连接液态金属时，可以使液体金属升温至30℃-40℃，当高电平连接液态金属时，可以使液体金属升温至60℃-70℃。工作原理：当低电平连接液态金属时，液态金属升温使第二温敏水凝胶5在30℃-40℃时带动第一温敏水凝胶7形成向第二温敏水凝胶5方向呈90度角的弯曲；当高电平连接液态金属时，液态金属升温使第一温敏水凝胶7在60℃-70℃带动第二温敏水凝胶5形成向第一温敏水凝胶7方向呈90度角的弯曲；当低电平再次连接液态金属时，温度下降至30摄氏度到40摄氏度，第一温敏水凝胶7凝胶逐渐恢复，并被第二温敏水凝胶5带动再次向第二温敏水凝胶5方向弯曲。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，其特征在于，包括水凝胶基体(1)和液态金属，不同响应温度的温敏水凝胶(7，5)交错排布构成双层结构的水凝胶基体(1)；所述水凝胶基体(1)内设有通道(4)，且所述通道(4)依次按顺序贯穿不同响应温度的温敏水凝胶(7，5)，所述通道(4)填充液态金属，通过对液态金属施加周期电信号，使水凝胶基体(1)产生周期形变；所述水凝胶基体(1)包括第一温敏水凝胶(7)和第二温敏水凝胶(5)，所述第一温敏水凝胶(7)的响应温度大于第二温敏水凝胶(5)响应温度；若干所述第一温敏水凝胶(7)和若干所述第二温敏水凝胶(5)交错排布构成双层结构的水凝胶基体(1)；若干所述第一温敏水凝胶(7)和若干所述第二温敏水凝胶(5)内分别设有通道(4)，且每层所述水凝胶基体(1)内的第一温敏水凝胶(7)的通道(4)与第二温敏水凝胶(5)的通道(4)连通；所述第一温敏水凝胶(7)的响应温度为60℃-70℃；所述第二温敏水凝胶(5)的响应温度为30℃-40℃。
2.根据权利要求1所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，其特征在于，所述水凝胶基体(1)底部设有锯齿(6)，且所述锯齿(6)与底面的夹角为30-45°。
3.根据权利要求1所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，其特征在于，所述第一温敏水凝胶(7)或所述第二温敏水凝胶(5)内的通道(4)为曲线。
4.根据权利要求3所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，其特征在于，所述第一温敏水凝胶(7)或所述第二温敏水凝胶(5)内的通道(4)为圆弧。
5.根据权利要求1所述的双层结构的液态金属智能水凝胶仿生蠕动机器人，其特征在于，通过对液态金属施加周期的高低电信号，使液态金属的温度发生变化，导致第一温敏水凝胶(7)和第二温敏水凝胶(5)产生形变。
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