CN111531528A - 基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构及制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构及制造工艺，结构包括顶层的硅胶膜，硅胶膜下方设有足部结构，硅胶膜头部和腹部下方分别设有磁驱动柔性薄膜驱动器，磁驱动柔性薄膜驱动器、足部结构通过粘附材料与硅胶模粘结，头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器的磁极相反；制造工艺是先进行硅胶膜的制备，然后进行足部结构的制备，再进行磁驱动柔性薄膜驱动器的制备，最后进行尺蠖仿生结构的制备；本发明利用磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动特性，实现仿尺蠖结构在磁场调控下的可控驱动，其制造工艺采用基于光刻、模塑和旋涂的工艺手段，实现部分结构的准确可控制造，实现了驱动条件简单、响应迅速和大变形的有机统一。

Description

基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构及制造工艺

技术领域

本发明属于微纳工程中的仿生制造技术领域，具体涉及一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构及制造工艺。

背景技术

尺蠖的胸足和尾足能够紧紧的抓住附着表面，同时不会破坏附着表面，对附着表面材质和形貌等适应度高；尺蠖的躯干能够实现在“Ω”外型和直线型外型之间迅速且自如地切换，为爬行提供驱动力；尺蠖依靠两对足和躯干能够实现在树枝和树干上任意的攀爬行走，运动灵活性高，隐蔽性好；诸多的优点使尺蠖成为仿生软体机器人研究领域的重点研究对象。

目前，尺蠖仿生领域采用的主流驱动方式为电驱动和热驱动。其中电驱动方式中主要采用离子型电活性聚合物和非离子型电活性聚合物两种驱动材料，离子型电活性材料驱动之前需要进行封装，降低了其柔性，不利于变形；非离子型电活性聚合物往往需要很高的驱动电压，大大限制了其应用范围。热驱动方式依靠驱动材料受热变形产生驱动力，因而响应较慢。

依靠简单的驱动方式，实现仿生尺蠖结构驱动的迅速响应和大变形的有机统一，是目前仿生尺蠖设计和工艺制造方向面临的主要困难和挑战。

发明内容

为了解决上述现有技术的难题，本发明的目的在于提供一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构及制造工艺，实现了驱动条件简单、响应迅速和大变形的有机统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构，包括顶层的硅胶膜1，硅胶膜1下方设有足部结构2，硅胶膜1头部和腹部下方分别设有磁驱动柔性薄膜驱动器3，磁驱动柔性薄膜驱动器3、足部结构2通过粘附材料4与硅胶模1粘结，头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器3的磁极相反。

所述的足部结构2采用硅胶或聚氨酯的弹性体；所述的粘附材料4采用硅胶粘接剂或硅胶胶水，所述的磁驱动柔性薄膜驱动器3为阵列化填充磁性材料的硅胶弹性体。

一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，硅胶膜1的制备：对第一基材7表面进行疏水化处理，之后旋涂一层硅胶6，加热固化后经脱模工艺得到硅胶膜，将硅膜剪裁得到顶层的硅胶膜1；

第二步：足部结构2的制备：对第二基材11表面进行疏水化处理，四周设置限高支撑物10；之后注入流态聚合物弹性体9，抽真空除去气泡，用另一块疏水化处理的第三基材8从流态聚合物弹性体9的顶部挤压，得到聚合物弹性体层，之后进行加热固化处理，经剪裁即得所需的足部结构2；

第三步，磁驱动柔性薄膜驱动器3的制备：在第四基材13表面，通过多次旋涂，获得一层光刻胶12-1；

利用垂直曝光技术，实现光刻胶12-1的光刻，得到垂直柱状阵列的光刻区域，光刻胶12-1曝光部分发生交联反应，形成曝光光刻胶12-2；

利用显影技术，去除曝光光刻胶12-2，在光刻胶12-1和曝光光刻胶12-2上实现垂直柱状阵列结构的反型结构；

利用浇铸工艺，在反型结构光刻胶12-1和曝光光刻胶12-2表面浇铸一层第二聚合物弹性体，实现具有柱状阵列的反模14的制备；

利用超声波剥离工艺去除与具有垂直柱状阵列的反模14粘附在一起的光刻胶12-1和曝光光刻胶12-2，最终实现具有柱状阵列结构的反模14与光刻胶12-1、曝光光刻胶12-2和第四基材13的分离，实现垂直柱状阵列结构的反模14的可控制作；

对具有垂直柱状阵列结构的反模14进行疏水化处理，利用旋涂工艺在具有垂直柱状阵列结构的反模14表面旋涂一层第三聚合物弹性体，实现结构化柔性基底15的制备；

将磁性材料通过球磨工艺，进行低维化处理，然后利用表面修饰材料进行表面修饰，利用粘合剂进行粘连，整个工艺均在无水乙醇有机溶剂液体环境中进行，实现刮涂材料16的制备；所述磁性材料为钕铁硼硬磁性材料，所述表面修饰剂为KH560系列表面修饰剂，所述粘结剂为环氧乙烷粘结剂；

通过刮涂工艺，将刮涂材料16填充进结构化柔性基底15中，加热蒸干无水乙醇溶剂，使刮涂材料牢固粘结在柔性基底表面的孔阵列中；

通过旋涂工艺，在填充有磁性刮涂材料16的结构化柔性基底15表面旋涂一层第四聚合物弹性体17，实现对刮涂材料的封装，制备成结构上完整的磁驱动柔性薄膜驱动器3；通过充磁工艺，使磁驱动柔性薄膜驱动器3具有固定的磁极；

第四步，尺蠖仿生结构的制备：利用粘结的方法，在顶层的硅胶膜1的一侧粘结一层粘附层，并将第二步制备的足部结构2，第三步制备的磁驱动柔性薄膜驱动器结构3，粘结在顶层的硅胶膜1表面，其中头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器3磁极相反，完成尺蠖仿生结构的制备。

所述的第一基材7、第二基材11、第三基材8、第四基材13为载玻片或者Si片，所述限高支撑物10为玻璃板，所述聚合物弹性体为聚氨酯或硅胶弹性体。

本发明的有益效果为：本发明基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构，利用磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动特性，实现仿尺蠖结构在磁场调控下的可控驱动，其制造工艺采用基于光刻、模塑和旋涂的工艺手段，实现部分结构的准确可控制造，本发明的基于磁驱动柔性薄膜驱动器的仿生尺蠖结构可广泛用于军事、救援、生物医疗等技术领域。

附图说明

图1为本发明未施加外部磁场时仿生尺蠖结构的示意图。

图2-1为本发明施加外部磁场时仿生尺蠖变形示意图；图2-2为本发明施加反向磁场时仿生尺蠖变形示意图。

图3为本发明在基材上制备一层硅胶膜的结构示意图。

图4为本发明制备的具有一定厚度的硅胶层结构示意图。

图5-1为本发明在基材上制备一层光刻胶结构示意图；图5-2为本发明利用垂直曝光技术在光刻胶层制备柱状阵列反型结构的工艺示意图；图5-3为本发明在光刻胶层制备的柱状阵列反型结构示意图；

图5-4为本发明在柱状阵列反型结构表面旋涂制备具有阵列化柱状结构的反模的工艺示意图；图5-5为本发明制备的具有阵列化柱状结构的反模示意图；图5-6为本发明利用具有柱状阵列结构的反模制备结构化柔性基底工艺示意图；图5-7为本发明制备的结构化柔性基底示意图；图5-8为本发明制备的填充有磁性材料的结构化柔性基底示意图；图5-9为本发明制备的填充有磁性材料的结构化柔性基底封装示意图。

图6为本发明制备的磁驱动柔性薄膜驱动器3示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构，包括顶层的具有一定厚度的硅胶膜1，硅胶膜1下方设有足部结构2，硅胶膜1头部和腹部下方分别设有磁驱动柔性薄膜驱动器3，磁驱动柔性薄膜驱动器3、足部结构2通过粘附材料4与硅胶模1粘结，头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器3的磁极相反。

所述硅胶膜1采用硅胶或聚氨酯等弹性体，所述的足部结构2采用硅胶或聚氨酯等弹性体；所述的粘附材料4采用硅胶粘接剂或硅胶胶水等，所述的磁驱动柔性薄膜驱动器3为阵列化填充磁性材料的硅胶弹性体。

当驱动磁场磁感应强度为0时，磁驱动柔性薄膜驱动器3不受力，仿生尺蠖如图1所示；当输入磁场强度为B时(或-B，B≠0)，腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器3受到排斥力，头部的磁驱动柔性薄膜驱动器3受到吸引力，在两个相反方向的作用力下，仿生尺蠖呈现“Ω”外型，并且由于两个相反方向的力作用点不同，产生向前翻转的力矩，使机器人前足承担更大的正压力，因此前足与接触面5之间最大静摩擦力更大，因而前足不动而后足向前滑动，如图2-1所示；当施加相反方向的驱动磁场-B时(或B，B≠0)，腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器3受到吸引力，头部的磁驱动柔性薄膜驱动器4受到排斥力，在两个相反方向的作用力下，仿生尺蠖略微呈“U”型，此时两个相反方向的受力产生向后翻转的力矩，后足承担更大的正压力，因此后足与接触面5之间的最大静摩擦力更大，因而后足不动而前足向前滑动，如图2-2所示；由此实现了磁场调控的仿生尺蠖结构的可控磁驱动。

一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，硅胶膜1的制备：对洁净的第一基材7表面进行疏水化处理，之后旋涂一层厚度为h₁的硅胶6，所述的第一基材7为载玻片或者Si片，如图3所示；加热固化后经脱模工艺即可得到厚度为h₁的硅胶膜，将硅胶模剪裁成适当尺寸即得到顶层的硅胶模1；

第二步：足部结构2的制备：对洁净的第二基材11表面进行疏水化处理，四周设置限高支撑物10；之后注入流态聚合物弹性体9，抽真空除去气泡，用另一块疏水化处理的第三基材8从流态聚合物弹性体9的顶部挤压，即可得到厚度为h₂的聚合物弹性体层，之后进行加热固化处理，如图4所示，经剪裁即得所需的足部结构2；

第三步，磁驱动柔性薄膜驱动器3的制备：在洁净的第四基材13表面，通过多次旋涂，获得一层厚度为h₃的光刻胶12-1，如图5-1所示；所述的光刻胶12-1为EPG 533或AZ系列光刻胶；

利用垂直曝光技术，顶部UV光18通过掩膜版19实现光刻胶12-1的光刻，得到垂直柱状阵列的光刻区域，柱状的直径d₂为微米级别，柱状的间距d₁为微米级别，柱状高度h₃为微米级别，光刻胶12-1曝光部分发生交联反应，形成曝光光刻胶12-2，如图5-2所示；

利用显影技术，去除曝光光刻胶12-2，在光刻胶12-1和曝光光刻胶12-2上实现垂直柱状阵列结构的反型结构，如图5-3所示；

利用浇铸工艺，在反型结构光刻胶12-1和曝光光刻胶12-2表面浇铸一层第一聚合物弹性体，基底厚度h₄为毫米级别，实现具有柱状阵列的反模14的制备，如图5-4所示；

利用超声波剥离工艺去除与具有垂直柱状阵列的反模14粘附在一起的光刻胶12-1和曝光光刻胶12-2，最终实现具有柱状阵列结构的反模14与光刻胶12-1、曝光光刻胶12-2和第四基材13的分离，实现垂直柱状阵列结构的反模14的可控制作，如图5-5所示；

对具有垂直柱状阵列结构的反模14进行疏水化处理，利用旋涂工艺在具有垂直柱状阵列结构的反模14表面旋涂一层第二聚合物弹性体，留膜厚度h₅为微米级别，实现结构化柔性基底15的制备，如图5-6、图5-7所示；

将磁性材料通过球磨等工艺，进行低维化处理，然后利用表面修饰材料进行表面修饰，以隔绝空气和便于粘连，最后利用粘合剂进行粘连，整个工艺均在无水乙醇等有机溶剂液体环境中进行，实现刮涂材料16的制备；所述磁性材料为钕铁硼等硬磁性材料，所述表面修饰剂为KH560系列等表面修饰剂，所述粘结剂为环氧乙烷等粘结剂；

通过刮涂工艺，将刮涂材料16填充进结构化柔性基底15中，如图5-8所示，加热蒸干无水乙醇等溶剂，即可使刮涂材料牢固粘结在柔性基底表面的孔阵列中；

通过旋涂工艺，在填充有磁性刮涂材料16的结构化柔性基底15表面旋涂一层第三聚合物弹性体17，第三聚合物弹性体17厚度h₆为微米级，如图5-9所示，即可实现对刮涂材料的封装，即可制备成结构上完整的磁驱动柔性薄膜驱动器3，如图6所示；通过充磁工艺，即可使磁驱动柔性薄膜驱动器3具有固定的磁极，实现磁驱动柔性薄膜驱动器3功能上的完整；

第四步，尺蠖仿生结构的制备：利用粘结的方法，在顶层的硅胶膜1的一侧粘结一层粘附层，并将第二步制备的足部结构2，第三步制备的磁驱动柔性薄膜驱动器结构3，粘结在顶层的硅胶膜1表面，如图1所示，其中头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器3磁极相反，整体结构如图1所示，即可完成尺蠖仿生结构的制备。

所述的第一基材7、第二基材11、第三基材8、第四基材13为载玻片或者Si片，所述限高支撑物10为玻璃板，所述聚合物弹性体为聚氨酯或硅胶弹性体。

本发明设计的基于磁驱动柔性薄膜驱动器的尺蠖仿生结构克服了传统驱动响应慢和驱动变形小等问题，理论上能够显著提高机器人的爬行速度。本发明利用光刻、旋涂、球磨、浇铸、翻模等工艺实现了设计结构的准确可控制造及精准复制，能够适用广泛的仿生领域的需求。

Claims (4)

1.一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构，包括顶层的硅胶膜(1)，其特征在于：硅胶膜(1)下方设有足部结构(2)，硅胶膜(1)头部和腹部下方分别设有磁驱动柔性薄膜驱动器(3)，磁驱动柔性薄膜驱动器(3)、足部结构(2)通过粘附材料(4)与硅胶模(1)粘结，头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器(3)的磁极相反。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构，其特征在于：所述的足部结构(2)采用硅胶或聚氨酯的弹性体；所述的粘附材料(4)采用硅胶粘接剂或硅胶胶水，所述的磁驱动柔性薄膜驱动器(3)为阵列化填充磁性材料的硅胶弹性体。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，硅胶膜(1)的制备：对第一基材(7)表面进行疏水化处理，之后旋涂一层硅胶(6)，加热固化后经脱模工艺得到硅胶膜，将硅胶模剪裁即得到顶层的硅胶模(1)；

第二步：足部结构(2)的制备：对第二基材(11)表面进行疏水化处理，四周设置限高支撑物(10)；之后注入流态聚合物弹性体(9)，抽真空除去气泡，用另一块疏水化处理的第三基材(8)从流态聚合物弹性体(9)的顶部挤压，得到聚合物弹性体层，之后进行加热固化处理，经剪裁即得所需的足部结构(2)；

第三步，磁驱动柔性薄膜驱动器(3)的制备：在第四基材(13)表面，通过旋涂获得一层光刻胶(12-1)；

利用垂直曝光技术，实现光刻胶(12-1)的光刻，得到垂直柱状阵列的光刻区域，光刻胶(12-1)曝光部分发生交联反应，形成曝光光刻胶(12-2)；

利用显影技术，去除曝光光刻胶(12-2)，在光刻胶(12-1)和曝光光刻胶(12-2)上实现垂直柱状阵列结构的反型结构；

利用浇铸工艺，在反型结构光刻胶(12-1)和曝光光刻胶(12-2)表面浇铸一层第一聚合物弹性体，实现具有柱状阵列的反模(14)的制备；

利用超声波剥离工艺去除与具有垂直柱状阵列的反模(14)粘附在一起的光刻胶(12-1)和曝光光刻胶(12-2)，最终实现具有柱状阵列结构的反模(14)与光刻胶(12-1)、曝光光刻胶(12-2)和第四基材(13)的分离，实现垂直柱状阵列结构的反模(14)的可控制作；

对具有垂直柱状阵列结构的反模(14)进行疏水化处理，利用旋涂工艺在具有垂直柱状阵列结构的反模(14)表面旋涂一层第二聚合物弹性体，实现结构化柔性基底(15)的制备；

将磁性材料通过球磨工艺，进行低维化处理，然后利用表面修饰材料进行表面修饰，利用粘合剂进行粘连，整个工艺均在无水乙醇有机溶剂液体环境中进行，实现刮涂材料(16)的制备；所述磁性材料为钕铁硼硬磁性材料，所述表面修饰剂为KH560系列表面修饰剂，所述粘结剂为环氧乙烷粘结剂；

通过刮涂工艺，将刮涂材料(16)填充进结构化柔性基底(15)中，加热蒸干无水乙醇溶剂，使刮涂材料牢固粘结在柔性基底表面的孔阵列中；

通过旋涂工艺，在填充有刮涂材料(16)的结构化柔性基底(15)表面旋涂一层第三聚合物弹性体(17)，实现对刮涂材料的封装，制备成结构上完整的磁驱动柔性薄膜驱动器(3)；通过充磁工艺，使磁驱动柔性薄膜驱动器(3)具有固定的磁极；

第四步，尺蠖仿生结构的制备：利用粘结的方法，在顶层的硅胶膜(1)的一侧粘结一层粘附层，并将第二步制备的足部结构(2)，第三步制备的磁驱动柔性薄膜驱动器结构(3)，粘结在顶层的硅胶膜(1)表面，其中头部和腹部的磁驱动柔性薄膜驱动器(3)磁极相反，完成尺蠖仿生结构的制备。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁驱动柔性薄膜驱动器的磁驱动仿生尺蠖结构的制造工艺，其特征在于：所述的第一基材(7)、第二基材(11)、第三基材(8)、第四基材(13)为载玻片或者Si片，所述限高支撑物(10)为玻璃板，所述聚合物弹性体为聚氨酯或硅胶弹性体。

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