CN112201744A - 一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用，所述组成为鞘芯结构，所述鞘层由碳纳米管薄膜组成，芯材为尼龙线。在实际使用该螺旋型人工肌肉时，可以根据需求设计成不同的长度。并且可以通过控制电路输出不同大小的电压，进而控制螺旋型人工肌肉的收缩速率与输出应力。本发明以柔性方式将电能转化为机械能，易于控制且安全环保。

Description

一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用
技术领域
本发明属于仿生材料及其制备和应用领域，特别涉及一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用。
背景技术
近年来，具有高柔韧性和高弹性的人工肌肉已被应用于医疗康复设备和仿生机器人等先进领域。现有的人工肌肉一般有气动人工肌肉，其原理是改变空腔体内部的压力，使人工肌肉收缩或者膨胀，以驱动相应的运动部件；其缺点在于：需要外接气动设备，体积和重量较大，不易携带。介电弹性体人工肌肉，其原理是在施加电场，使弹性体电荷相互挤压或排斥而产生形变；其缺点在于使用非常高的外加电压，安全性是一个重大问题。其他一些聚合物材料制备小型致动器的输出力又往往较小。
CN111390895A公开了一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法。其缺点在于：电路电压非常高，安全性面临极大挑战；弹簧与介电弹性体的关系是相互抵抗，会损耗介电弹性体的驱动性能。
CN102044627A公开了电致伸缩复合材料及电致伸缩元件，该元件形状为片材，致动方式为弯曲，这限制了在人工肌肉或致动器领域的应用。CN102044627A并未提及致动器的输出力大小，以及致动器变形的温度范围，而致动器的输出力决定了其能驱动的器件类型，聚合物的熔融温度相对较低，控制变形温度也是非常重要的。本发明设计的致动器结构为螺旋型，致动方式为收缩，这在人工肌肉或致动领域的应用更加广泛。本发明使用红外摄像仪实时控制并记录了温度与输出力的关系，控制温度在聚合物熔融温度以下，保护致动器不致损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用，克服现有技术中电致收缩致动器输出力较低与电压较高的缺陷。
本发明的一种电致收缩人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括螺旋结构复合材料，其中所述复合材料具有鞘芯结构，其中鞘层为碳纳米管薄膜，芯材为尼龙线；其中人工肌肉运动通过加在碳纳米管薄膜上驱动电压控制。
所述螺旋结构复合材料两端的碳纳米管薄膜连接到电路中。
进一步，所述碳纳米管薄膜作为外覆层和导电层，尼龙线作为中间的芯材，增强整体的弹性和韧性，同时提高螺旋型人工肌肉的收缩率。
在实际使用该螺旋型人工肌肉时，可以根据需求设计成不同的长度。并且可以通过控制电路输出不同大小的电压，进而控制螺旋型人工肌肉的收缩速率与输出应力。
进一步，所述人工肌肉整体为螺旋型，由电路的输出电压来控制；所述螺旋结构通过轴向的收缩与恢复为负载提供驱动力。
所述鞘层采用的碳纳米管薄膜柔软、质轻，制备螺旋型人工肌肉之前的的厚度为10～15μm，电导率为(3～8)*104s/m。
所述芯材尼龙线坚韧、耐磨，制备螺旋型人工肌肉之前的直径为0.105～0.285mm。
在实际使用本发明的螺旋型人工肌肉时，可以根据需要设计成不同长度或捻度与驱动器件相组合。
进一步通过控制电路的电压大小以获得不同的收缩率和收缩速度(如图5所示)。
所述鞘芯结构可以将碳纳米管薄膜和尼龙线的特性相结合，提高了人工肌肉的强度和驱动性能。
所述螺旋结构像弹簧一样可以轴向自由运动，人工肌肉的每个螺旋的收缩相互叠加，提高了整体的收缩率和输出力。
本发明的一种电致收缩人工肌肉的制备方法，包括：
(1)将碳纳米管薄膜沿轴向对折并包裹住尼龙线，得到碳纳米管薄膜包裹的尼龙线，螺旋加捻，然后加捻成的螺旋型材料固定两端并加热，然后迅速降温至室温，得到螺旋结构复合材料；
(2)将上述螺旋结构复合材料两端的碳纳米管薄膜连接到电路中，螺旋型人工肌肉的一端固定，另一端与需要驱动的部件相连；然后在外加电路3～15V加载下控制人工肌肉收缩。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中碳纳米管薄膜对折包裹尼龙线，可保证尼龙线包裹的碳纳米管薄膜的厚度相同，以避免螺旋型人工肌肉整体不均匀。
所述步骤(1)中碳纳米管薄膜的尺寸：宽15～30mm，为长150～300mm；尼龙线的总长度大于或等于300mm。
所述步骤(1)中螺旋加捻为采用纱线捻度仪进行螺旋加捻，具体为：将碳纳米管薄膜包裹的尼龙线两端分别固定在纱线捻度仪的两端，捻度仪的一端为旋转夹头，一端为可控位置的夹头，进行加捻。
进一步地，通过手动控制纱线捻度仪，以保证加捻的人工肌肉的螺旋形状规则，避免打结。
手动控制纱线捻度仪的速度、旋转方向与开关，通过改变加捻速度减少或避免打结，通过逆向加捻或者增加固定端的拉力来去除打结，保证人工肌肉逐渐形成螺旋型结构。
所述步骤(1)中加热为100℃烘箱中加热1～3h；降温至室温时间为3～5min。
所述降温为极速降温，可保证螺旋结构相对稳定，避免螺旋型人工肌肉的自行解捻。
所述步骤(2)中外加电路电压为3～15V，根据实际运用可做出调整。
本发明的一种所述方法制备的电致收缩人工肌肉。
本发明的一种所述电致收缩人工肌肉的应用。
本发明中使用鞘芯结构，碳纳米管薄膜包覆尼龙线，然后加捻形成螺旋结构；加捻后的碳纳米管薄膜通电时可以自收缩，通电过程中产生的热量同时驱动螺旋形状的尼龙线轴向收缩，提高了整体的收缩率和输出力。
有益效果
(1)本发明的制备方法简单快捷、可规模化生产；
(2)本发明使用鞘芯结构，充分利用碳纳米管薄膜和尼龙线的特性；
(3)本发明采用螺旋结构，提高了人工肌肉的驱动性能，螺旋结构的收缩和伸长较为方便；
(4)本发明使用的外加电压较低，安全可靠；
(5)本发明设计的电致收缩螺旋型人工肌肉，组成为鞘芯结构。所采用的碳纳米管薄膜柔软、轻薄，拉伸强度大，厚度为10～15μm，质量为1.5～1.8mg/cm2，拉伸强度为70～105MPa；所应用的尼龙线为民用钓鱼线，直径较细，坚韧，直径为0.105～0.285mm，拉伸强度为150～170MPa，拉伸率为15％～16％。该螺旋型人工肌肉所需要的驱动电压较低，而且可以并联多条人工肌肉到电路中，整体输出力约为单根输出力乘以条数。本发明制作工艺简捷，安全实用。
(6)本发明所述的螺旋型人工肌肉具有电响应特点，质量轻，能提起自身600倍的重物。而且所需电压较低，安全实用。在外电路刺激下可以收缩，外电路撤销后又恢复到原始的长度，从而将电能转化为机械能。
附图说明
图1为电致收缩的螺旋型人工肌肉的结构示意图；
图2为电致收缩的螺旋型人工肌肉的制备过程；
图3为电致收缩的螺旋型人工肌肉在6V外接电压接通和断开过程中，输出力与温度随时间变化的点线图；
图4为电致收缩的螺旋型人工肌肉的拉伸强度。
图5为电致收缩的螺旋型人工肌肉在3V、6V、9V、12V、15V外接电压下最大收缩率与达到最大收缩率的时间。
图6为电致收缩的螺旋型人工肌肉实际应用设计，实物图为一个夹具，电致收缩的螺旋型人工肌肉收缩时夹具闭合。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
碳纳米管薄膜购买自无锡远稳烯科技有限公司，方块电阻为0.8～1.2Ω，厚度为10～15μm，拉伸强度为70～105MPa。
尼龙线购买自威海汉鼎渔具有限公司，直径为0.105～0.285mm，拉伸强度为150～170MPa，拉伸率为15％～16％，牌号为尼龙66。
TPU线是日本进口的水晶弹力线，直径为0.125～0.475mm，拉伸强度为10～15MPa，拉伸率为200％～300％，牌号为TPU聚酯。
实施例1
选取碳纳米管薄膜，先将其裁剪成尺寸为20×300mm的条形，然后对折沿轴向包裹住总长度为500mm的尼龙线，碳纳米管薄膜对折包裹尼龙线，可保证尼龙线包裹的碳纳米管薄膜的厚度相同，使螺旋型人工肌肉整体相对均匀；
将碳纳米管薄膜包裹的尼龙线两端分别固定在纱线捻度仪的两端，捻度仪的一端为旋转夹头，一端为可控位置的夹头；
手动控制纱线捻度仪的速度、旋转方向与开关，通过改变加捻速度减少或避免打结，通过逆向加捻或者增加固定端的拉力来去除打结，保证人工肌肉逐渐形成螺旋型结构；
将加捻成的螺旋型人工肌肉固定两端，放在100℃烘箱中加热1h，然后拿出迅速降温到室温。
将螺旋型人工肌肉两端的碳纳米管薄膜连接到电路中，将螺旋型人工肌肉的一端固定，另一端与需要驱动的部件相连(如图6)；然后外加6V电压驱动螺旋型人工肌肉收缩。
螺旋型人工肌肉的质量为0.03g，可以提起的负载大于等于20g。
测试标准和方法：使用电子万能材料试验机记录螺旋型人工肌肉的拉伸强度，传感器10kN，拉伸速率10mm/min。定量数据：拉伸断裂应力52.6MPa，拉伸断裂位移84mm。使用红外热成像仪记录温度的变化。使用压差法记录螺旋型人工肌肉的拉力变化。
取致动器长度50mm，直径为1.68mm，一端固定，另一端接数显拉力计，使用红外摄像仪监控实时温度，如图3。图4的力学测试，标距为50mm，直径为1.68mm。
实施例2
制作步骤与实施例1相似，相比于实例1，区别在于碳纳米管薄膜对尼龙线的包覆方式不同。尼龙线置于碳纳米管薄膜的一条长边的边缘，沿短边方向卷绕。然后固定碳纳米管薄膜与尼龙线重合的两端在纱线捻度仪的两端夹头上，手动控制加捻成螺旋型人工肌肉。与实例相比：由于碳纳米管薄膜比较柔软、轻薄，尼龙线的直径比较细，给碳纳米管薄膜的卷绕造成了很大困难，碳纳米管薄膜难以均匀卷绕在尼龙线上。以上问题导致加捻过程中，碳纳米管薄膜包覆不均匀处容易打结，而且用这种方法加捻之后的螺旋型人工肌肉整体径向尺寸不均匀，驱动效果较实例1差。
实施例3
制作步骤与实施例1相似，相比于实例1，区别在于将尼龙线替换成TPU弹性线。碳纳米管薄膜沿长边对折包裹在TPU弹性线上，然后将碳纳米管薄膜与TPU弹性线重合的两端固定在纱线捻度仪的两端夹头上，手动控制加捻成螺旋型人工肌肉。相比于实施例1，选用的TPU弹性线材质较尼龙线相对柔软，熔断温度低。以上问题导致，螺旋型人工肌肉在较轻负载下的驱动效果良好，但是当负载增大后驱动效果变差。由于TPU弹性线所能承受的温度比实施例1中的尼龙线低，在外加电路打开时碳纳米管薄膜温度会迅速升高容易将其熔断。
对比例1
CN111390895A使用碳膏作为导电层，介电弹性体薄膜叠在碳膏两面，两层介电弹性体薄膜之间不能有气泡，而本发明使用的碳纳米管薄膜既作导电层，又是螺旋型人工肌肉的一部分，制作要求精度不高，使制备过程更加简便快捷。CN111390895A使用弹簧作为形变恢复组件，而本发明能够在断开电压后自行恢复，减少了能量的损失。CN111390895A的外加电压为2～8kV，而本发明的外加电压为3～15V，提高了人工肌肉的安全性。
对比例2
CN102044627A的设计结构为片状，而本发明的设计结构为螺旋型，形变率更大；CN102044627A的电加热为层状加热，本发明的加热为环绕加热，加热效率更高；CN102044627A的致动形式为弯曲，而本发明的致动形式为线性收缩，在人工肌肉或致动领域的应用更方便。

Claims (10)

1.一种电致收缩人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括螺旋结构复合材料，其中所述复合材料具有鞘芯结构，其中鞘层为碳纳米管薄膜，芯材为尼龙线；其中人工肌肉运动通过加在碳纳米管薄膜上驱动电压控制。
2.根据权利要求1所述人工肌肉，其特征在于，所述鞘层采用的碳纳米管薄膜的厚度为10～15μm，电导率为(3～8)*104s/m。
3.根据权利要求1所述人工肌肉，其特征在于，所述芯材尼龙线的直径为0.105～0.285mm。
4.根据权利要求1所述人工肌肉，其特征在于，所述电压为3～15V。
5.一种电致收缩人工肌肉的制备方法，包括：
(1)将碳纳米管薄膜沿轴向对折并包裹住尼龙线，得到碳纳米管薄膜包裹的尼龙线，螺旋加捻，然后固定两端并加热，然后降温至室温，得到螺旋结构复合材料；
(2)将上述螺旋结构复合材料两端的碳纳米管薄膜连接到电路中，螺旋型人工肌肉的一端固定，另一端与需要驱动的部件相连；然后在外加电路加载下控制人工肌肉收缩。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳纳米管薄膜的尺寸：宽15～30mm，为长150～300mm；尼龙线的总长度大于或等于300mm。
7.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中螺旋加捻为采用纱线捻度仪进行螺旋加捻，具体为：将碳纳米管薄膜包裹的尼龙线两端分别固定在纱线捻度仪的两端，捻度仪的一端为旋转夹头，一端为可控位置的夹头，进行加捻。
8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加热为100℃烘箱中加热1～3h；降温至室温时间为3～5min。
9.一种权利要求5所述方法制备的电致收缩人工肌肉。
10.一种权利要求1所述电致收缩人工肌肉的应用。
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