CN111618837B - 一种电控伸缩型复合人工肌肉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电控伸缩型复合人工肌肉，属于软体机器人技术领域。该电控伸缩型复合人工肌肉包括柔性电极层、复合电致变形层两种功能层；复合电致变形层是由电致变形纤维与介电弹性体组合而成的复合材料。该电控伸缩型复合人工肌肉自上而下依次为第一层柔性电极层、复合电致变形层、第二层柔性电极层。通过对复合电致变形层的上下表面施加电场可以实现伸长变形；通过对电致变形纤维施加电流可以实现收缩变形。本发明与现有人工肌肉相比，可实现伸长与收缩双向变形，可三维块体化，具有结构简单、易操控、变形方式多样等优点。

Description

一种电控伸缩型复合人工肌肉
技术领域
本发明属于软体机器人领域，涉及一种电控伸缩型复合人工肌肉。
背景技术
人工肌肉是软体机器人、人体助力系统等智能系统的核心。传统的人工肌肉主要是气动式驱动器，即通过充放气实现大幅度的变形。此类人工肌肉存在结构复杂、驱动响应慢、构件体积大等缺点。基于智能软材料的人工肌肉其灵感来源于自然界中的软体动物或软体组织，与气动式人工肌肉相比，具有结构简单、响应迅速、可小型化等优势。
近年来，电活性聚合物、形状记忆聚合物、电致变形纤维等智能材料已被用于制备人工肌肉。电活性聚合物是研究相对较为成熟的一类，主要包括介电弹性体、离子聚合物-金属复合材料、导电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩嫁接聚合物、液晶聚合物等。其中，介电弹性体具有能量密度高、应变大、质轻价廉等优点，是最受关注的人工肌肉材料。介电弹性体通常以薄膜形式应用，在其表面涂覆柔性电极并施加电场时，在Maxwell效应作用下，介电弹性体薄膜沿厚度方面收缩，而在平面方向扩展。介电弹性体型人工肌肉的主要问题是只能实现薄膜平面方面的伸长，而无法收缩，是一种单向变形材料。
电致变形纤维材料主要是碳纳米管纤维。该材料作为人工肌肉材料的主要优点是低驱动电压、高拉伸强度及高弹性模量。2012年以来，以美国德克萨斯大学达拉斯分校的Baughman课题组为代表的研究者们将多壁碳纳米管制成纤维，构建新型的人工肌肉。他们首先将碳纳米管阵列抽成薄膜后进行拉伸纺线，在拉伸过程中采用不同的方式加捻，得到阿基米德螺线、双阿基米德螺线、费马螺线等复杂结构的碳纳米管纺线。随后，将碳纳米管纺线与能够产生体积变化的客体材料复合，该复合材料能够在热(电热、光热)作用下产生较大的变形(2560℃下收缩应变7.3％)。复旦大学的彭慧胜团队采用干法纺丝工艺将取向碳纳米管阵列纺制成取向纤维，对其施加电流时，碳纳米管纤维特有的取向螺旋结构在安培力作用下产生较为显著的收缩(2％)。由上可见，基于碳纳米管纤维的人工肌肉材料仅能实现沿纤维长度方面的收缩变形，而无法伸长，也是一种单向变形材料。
综上，现有应用于人工肌肉的智能软材料仅能实现单向的伸长或收缩，不具备双向变形的能力，亟待可发可伸缩型的人工肌肉；此外，介电弹性体通常为二维薄膜形式，而碳纳米管纤维为一维纤维形态，如何构建三维的块体人工肌肉也是亟待解决的关键问题。
针对以上问题，本专利将介电弹性体与电致变形纤维复合，提出一种电控伸缩型复合人工肌肉，同时解决人工肌肉伸缩型和三维块体化的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术缺陷，提供一种电控伸缩型复合人工肌肉，以解决人工肌肉伸缩型和三维块体化的问题。
为解决上述技术问题本发明的构思是：
将介电弹性体与电致变形纤维进行复合，构建复合人工肌肉，其中电致变形纤维在介电弹性体中呈定向分布。当需要实现伸长变形时，对复合人工肌肉的两侧表面施加电场，此时介电弹性体沿平面扩展，并带动电致变形纤维共同伸长；当需要实现收缩变形时，对复合人工肌肉中的电致变形纤维通入电流，此时电致变形纤维尚长度方向收缩，带动介电弹性体共同收缩。
本发明的技术方案：
一种电控伸缩型复合人工肌肉，包括柔性电极层和复合电致变形层2，
电控伸缩型复合人工肌肉自上而下依次为第一层柔性电极1、复合电致变形层2、第二层柔性电极3，第一层柔性电极1和第二层柔性电极3分别涂敷于复合电致变形层2的上下表面；
所述的第一层柔性电极1、第二层柔性电极3采用的材质包括但不限于涂敷碳膏、碳纳米管与粘接剂混合物、导电聚合物、导电水凝胶、导电银浆。
所述的复合电致变形层2是介电弹性体4与电致变形纤维5组成的复合材料，电致变形纤维5在介电弹性体4中定向排列；
所述的电致变形纤维5在复合电致变形层2中的体积含量为10％～90％。
所述的介电弹性体4包括但不限于硅橡胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯、氟硅橡胶、填充介电纳米颗粒的硅橡胶。
所述的电致变形纤维5包括但不限于碳纳米管纤维、导电碳纤维。
一种电控伸缩型复合人工肌肉，在第一层柔性电极1和第二层柔性电极3之间施加电场，复合电致变形层2在介电弹性体4的Maxwell效应作用下沿垂直于电场方向伸长，从而实现电控伸缩型复合人工肌肉的伸长变形；对复合电致变形层2内的电致变形纤维5通入电流，电致变形纤维5沿轴向收缩，从而带动复合电致变形层2整体沿纤维定向排列方向收缩，从而实现电控伸缩型复合人工肌肉的收缩变形。
本发明的有益效果：电控伸缩型复合人工肌肉通过施加电场和电流，兼具伸长与收缩伸缩型能力，且为三维块体材料，具有结构简单、易操控、变形方式多样等优点。
附图说明
图1为本发明电控伸缩型复合人工肌肉结构三维示意图。
图2为本发明电控伸缩型复合人工肌肉结构二维示意图。
图3为本发明电控伸缩型复合人工肌肉伸长原理示意图。
图4为本发明电控伸缩型复合人工肌肉收缩原理示意图。
图中：1第一层柔性电极；2复合电致变形层；3第二层柔性电极；4介电弹性体；5电致变形纤维。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1及图2所示，一种电控伸缩型复合人工肌肉的结构，包括柔性电极层和复合电致变形层，其特征在于：
1)所述电控伸缩型复合人工肌肉自上而下依次为第一层柔性电极1、复合电致变形层2、第二层柔性电极3，第一层柔性电极1和第二层柔性电极3分别涂敷于复合电致变形层2的上下表面；
2)所述第一层柔性电极1、第二层柔性电极3采用导电银浆；
3)所述复合电致变形层2是介电弹性体4与电致变形纤维5组成构成的复合材料；电致变形纤维5在介电弹性体4中定向排列；电致变形纤维5在复合电致变形层2中的体积含量为30％。
4)所述介电弹性体4为硅橡胶；
5)所述电致变形纤维5为碳纳米管纤维。
如图3所示，一种电控伸缩型复合人工肌肉，其伸长变形实施过程如下：在第一层柔性电极1和第二层柔性电极3之间施加电场，复合电致变形层2在介电弹性体4的Maxwell效应作用下沿垂直于电场方向伸长，从而实现电控伸缩型复合人工肌肉的伸长变形。
如图4所示，一种电控伸缩型复合人工肌肉，其收缩变形实施过程如下：对复合电致变形层2内的电致变形纤维5通入电流，电致变形纤维4沿轴向收缩，从而带动复合电致变形层2整体沿纤维定向排列方向收缩，从而实现电控伸缩型复合人工肌肉的收缩变形。

Claims (5)

1.一种电控伸缩型复合人工肌肉，其特征在于，该电控伸缩型复合人工肌肉包括柔性电极层和复合电致变形层(2)，自上而下依次为第一层柔性电极(1)、复合电致变形层(2)、第二层柔性电极(3)，第一层柔性电极(1)和第二层柔性电极(3)分别涂敷于复合电致变形层(2)的上下表面；
所述的复合电致变形层(2)是介电弹性体(4)与电致变形纤维(5)组成的复合材料，电致变形纤维(5)在介电弹性体(4)中定向排列；
一种电控伸缩型复合人工肌肉，在第一层柔性电极(1)和第二层柔性电极(3)之间施加电场，复合电致变形层(2)在介电弹性体(4)的Maxwell效应作用下沿垂直于电场方向伸长，从而实现电控伸缩型复合人工肌肉的伸长变形；对复合电致变形层(2)内的电致变形纤维(5)通入电流，电致变形纤维(5)沿轴向收缩，从而带动复合电致变形层(2)整体沿纤维定向排列方向收缩，从而实现电控伸缩型复合人工肌肉的收缩变形；介电弹性体(4)为硅橡胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯、氟硅橡胶或填充介电纳米颗粒的硅橡胶。
2.根据权利要求1所述的电控伸缩型复合人工肌肉，其特征在于，所述的电致变形纤维(5)在复合电致变形层(2)中的体积含量为10％～90％。
3.根据权利要求1或2所述的电控伸缩型复合人工肌肉，其特征在于，所述的第一层柔性电极(1)、第二层柔性电极(3)采用的材质为涂敷碳膏、碳纳米管与粘接剂混合物、导电聚合物、导电水凝胶或导电银浆。
4.根据权利要求1或2所述的电控伸缩型复合人工肌肉，其特征在于，所述的电致变形纤维(5)为碳纳米管纤维或导电碳纤维。
5.根据权利要求3所述的电控伸缩型复合人工肌肉，其特征在于，所述的电致变形纤维(5)为碳纳米管纤维或导电碳纤维。
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