CN112476486A - 一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于软体机械人制造相关技术领域，其公开了一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，所述方法包括以下步骤：(1)将磁膜进行预固化后放置在磁化磁场中以对所述磁膜中的铁磁微颗粒进行重新排列，得到具有特定磁畴方向的磁化磁膜；接着将磁膜进行加热固化；(2)将磁膜转移至供体基底上，并使用激光将磁膜切割成图案化的磁矢量单元及剩余部，同时采用激光对剩余部进行表面烧蚀以选择性改变剩余部的表面粘性，由此磁矢量单元及剩余部的表面粘性形成差异化；(3)采用粘性印章将磁矢量单元转印至可溶的粘性受体基底上，并将各个磁矢量单元间进行胶接后置于水中溶解，由此得到软体磁性机器人。本发明提高了灵活性及适用性，且工艺简单。

Description

一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法
技术领域
本发明属于软体机器人制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法。
背景技术
软体机器人的发展在一些特定的应用场景赋予了机器人更好适应性和通过性，磁性机器人具有无揽的远程操作方式、快速的响应能力，成为了软体机器人领域的一大研究热点。如何精确的在三维的软基底中预置特定的连续或者离散的磁畴直接决定了软体磁性机器人的响应特性和行为。随着技术的发展，近些年发展了一系列制造技术，如模板法、磁墨水直写法、光固化方法等，这些方法实现了具有2/3D磁畴和2/3D形状的磁机器人的数字化制造。
然而，在实现异质的，多功能的磁机器人仍然存在许多工程上的限制，无法快速低成本的实现。此外，很少有方法能方便地同时预置具有三维磁畴和三维形状的结构，和离线重构已有的软体磁性机器人。基于此，亟需一种既能够灵活构建具有特定磁畴和形状的结构，又能实现异质功能单元集成的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，该方法通过将各向异性磁化后的磁膜激光图案化后，同时借助激光选择性的表面粘性调整，利用粘性印章实现对特定的图案化的磁矢量单元进行转印装配，得到具有特定磁畴和形状的软体磁性机器人。该方法具有灵活的磁畴和形状的预置能力，同时转印的方法能够同时兼容其它的制造技术，实现复杂软体磁性机器人的异质集成，赋予其丰富的功能和能力；本方法提出了一种代价低、制造灵活的软体磁性机器人及其功能化的制造和异质集成技术，具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，所述异质集成方法包括以下步骤：
(1)将磁膜进行预固化后放置在磁化磁场中以对所述磁膜中的铁磁微颗粒进行重新排列或固化后充磁，得到具有特定磁畴方向的磁化磁膜；接着将磁膜进行加热固化；
(2)将磁膜转移至供体基底上，并使用激光将磁膜切割成图案化的磁矢量单元及剩余部，同时采用激光对剩余部进行表面烧蚀以选择性改变剩余部的表面粘性，由此磁矢量单元及剩余部的表面粘性形成差异化；
(3)采用粘性印章将磁矢量单元或异质功能单元转印至可溶的粘性受体基底上，并将各个磁矢量单元间进行胶接后置于水中溶解，由此得到具有一定形状的二维/三维磁畴和功能的软体磁性机器人。
进一步地，步骤(1)之前包括以下步骤：将NdFeB铁磁微颗粒与聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂充分混合后在抽真空条件下除去气泡，接着利用刮刀在成型基底上将得到的混合物刮成膜状以形成均匀的所述磁膜。
进一步地，将磁膜放在60℃～85℃加热台上加热2～4分钟进行预固化，再将磁膜放在匀强的磁化磁场中对铁磁微粒子进行重新排列，得到具有预定磁畴方向的磁化磁膜，并将磁膜放在60℃～85℃烘箱中加热30～50分钟完全固化；或者省略预固化步骤而直接进行完全固化，并将完全固化的的磁膜放在3T的脉冲磁场下进行充磁磁化。
进一步地，预固化时所采用的磁化磁场的磁通为2500Gs；完直接全固化时所采用的充磁磁场为3T；所述激光为紫外激光光束，表面烧蚀时所采用激光的脉冲频率为80kHz，脉冲宽度为0.1us，工作电流为33.5A，激光扫描速度为100mm/s～2200mm/s，扫描间距为0.04mm～0.16mm。
进一步地，剩余部和供体基底表面的能量释放率大于剩余部和粘性印章表面的能量释放率，而磁矢量单元和供体基底表面的能量释放率小于磁矢量单元与粘性印章表面之间的能量释放率。
进一步地，粘性受体基底为水溶性的平面粘性基底或者聚乙烯醇三维基底。
进一步地，所述异质功能单元包括能源捕获、存储和管理单元、传感单元、驱动单元、计算和通讯单元中的任一个替换。
进一步地，磁膜的磁化方向、激光切割的图案类型、可溶的粘性受体基底形状、转印过程中单元的排布方式以及约束决定了最终的软体磁机器人的构型，异质的不同功能单元的集成决定了软体磁机器人的最终配置和功能性。
进一步地，将磁膜放在75℃加热台上加热3分钟以进行预固化来降低其流动性，再放在由磁化强磁铁对产生的匀强的磁化磁场中以对NdFeB铁磁微粒子进行重新排列或固化后在脉冲强磁场下充磁，得到具有预定磁畴方向的磁化磁膜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法主要具有以下有益效果：
1.本发明基于粘性转印的软体磁性机器人的异质集成方法可简单灵活的预置具有三维形状或三维结构的软体机器人的配置。
2.本发明基于粘性转印的软体磁性机器人的异质集成方法可既能够灵活构建具有特定磁畴和形状的结构，又能实现异质功能单元的集成，为配置复杂构型的、异质材料、多功能的小尺度机器人提供了新的思路。
3.所述方法可以利用激光和再转印新的单元实现对软体磁性机器人功能的离线修复、升级、更新或者重构。
4.得到的软体机器人内部的磁畴可以在磁化过程、激光图案化过程和多次转印的装配中实现磁畴的灵活预置，而其结构形状取决于激光图案化的形状，多次转印装配时的构型。
附图说明
图1是本发明中磁膜的成型过程图；
图2是磁膜磁化的示意图；
图3是激光对磁化的磁膜激光切割和选择性表面粘性调整示意图；
图4是印章选择性转印起特定的图案化的磁矢量单元示意图；
图5是多次转印装配软体机器人的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：110-刮刀，120-磁膜，130-成型基低，140-磁化底座，150-磁化强磁铁对，160-紫外激光器，161-紫外激光光束，170-磁矢量单元，171-剩余部，180-供体基底，190-转印印章，200-粘性受体基底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3、图4及图5，本发明提供的基于粘性转印的软体磁性机器人的异质集成方法，所述异质集成方法主要包括以下步骤：
步骤一，将NdFeB铁磁微颗粒混入聚二甲基硅氧烷预聚物(PDMS)和交联剂充分混合后在抽真空条件下除去气泡，接着利用刮刀在成型基底上将其刮成膜状以形成均匀的磁膜。
其中，所述NdFeB铁磁微颗粒为直径约为5um的NdFeB铁磁颗粒；所述磁膜厚度一般在其厚度50-1000um，磁膜的厚度会影响结构的刚度，以及其磁响应特性；
本实施方式中，先将NdFeB铁磁微颗粒混入聚二甲基硅氧烷预聚物(PDMS)和交联剂，并通过搅拌机在2000rpm的转速下充分搅拌3分钟，接着放在真空皿中抽真空以除去得到的混合物中的气泡，接着利用规格为50um-1000um的刮刀110在成型基底上130将得到的混合物刮成膜状以形成均匀的磁膜120。
步骤二，将磁膜放在60℃～85℃加热台上加热2～4分钟进行预固化以降低其流动性，再将磁膜放在匀强的磁化磁场中对铁磁微粒子进行重新排列，得到具有特定磁畴方向的磁化磁膜，并将磁膜放在60℃～85℃烘箱中加热30～50分钟完全固化；或者省略预固化步骤而直接进行完全固化，并将完全固化的的磁膜放在3T的脉冲磁场下进行充磁磁化。其中，磁化磁场磁通在2500Gs左右，磁化磁场强弱会影响其响应特性；
本实施方式中，将磁膜120放在75℃加热台上加热3分钟以进行预固化来降低其流动性，再放在由磁化强磁铁对150产生的匀强的磁化磁场中以对NdFeB铁磁微粒子进行重新排列，得到具有特定磁畴方向的磁化磁膜120，磁膜120中磁畴的方向可以通过调整可调磁化角度的磁化底座140实现，并将磁膜120放在75℃烘箱中加热40分钟完全固化；其中磁化磁场的磁通约为2500Gs。其中，加热台的温度及在加热台上的时间、以及烘箱的温度及在烘箱内的加热时间均可以根据实际需要调整。
步骤三，将固化好的磁化磁膜从成型基底上转移至供体基底表面，使用激光将磁化磁膜进行图案化切割，得到特定图案的磁矢量单元和剩余部，同时利用低能激光烧蚀剩余部表面进行表面选择性粘性调整。
其中，表面烧蚀时所使用的紫外激光器型号为HGL-LSU3/5EI，脉冲频率为80kHz，脉冲宽度为0.1us，工作电流为33.5A，激光扫描速度为100-2200mm/s，扫描间距为0.04-0.16mm，通过调整激光扫描速度和扫描间距可实现对磁膜表面不同程度的烧蚀，得到不同的表面形貌和粗糙度。
选择性粘性调整一般是对图案化后的磁膜的剩余部进行表面激光处理，降低其表面粘性，使得剩余部和供体基底表面的能量释放率大于剩余部和印章表面的能量释放率，而特定图案的磁矢量单元和供体表面的能量释放率小于其与印章表面之间的能量释放率，通过以上界面的粘附关系可实现转印过程的选择性。
本实施方式中，将固化好的磁化的磁膜120从成型基底130上转移至供体基底表面180上，采用紫外激光器160发射紫外激光光束161，使用所述紫外激光光束161将所述磁膜进行图案化切割，以得到特定图案的磁矢量单元170和剩余部171，同时采用紫外激光光束161烧蚀剩余部171表面以进行表面选择性粘性调整；其中，激光图案化的过程决定了磁矢量单元170的形状及其内部磁畴的相对关系。
步骤四，利用粘性印章对特定图案的磁矢量单元进行转印，并转移打印至可溶的粘性受体基底上，重复上述转印过程，即可实现软体磁机器人在受体基底上的装配；接着，将各个磁矢量单元间进行胶接，最后将软体磁机器人同受体基底置于水中溶解，得到独立的软体磁性机器人，其中，除了转印磁矢量单元，其它的异质功能单元也可以通过该方法实现异质集成。
其中，通过激光切割和再转印可以以模块化的模式实现软体磁性机器人的功能升级、更新或者重构；得到的软体机器人内部的磁畴可以在磁化过程、激光图案化过程和多次转印的装配中实现磁畴的灵活预置，而其结构形状取决于激光图案化的形状，多次转印装配时的构型。
可溶性受体基底可以为水溶性的平面粘性基底，也可以为通过商业打印机打印的任意形状的聚乙烯醇(PVA)三维基底，在平面粘性基底上多次转印装配可得到二维结构的软体磁机器人，在特定的三维的PVA可溶基底上多次转印装配可得到三维结构的软体磁性机器人；所述转印过程中除了转印磁矢量单元，还可以转印其它的异质功能单元，这些单元包括但不限于能源捕获、存储和管理单元、传感单元、驱动单元、计算和通讯单元等，由此可以实现小尺度的复杂功能的异质软体机器人的灵活构建。
所述胶接过程是指在按照设计多次转印组装后，由点胶系统将独立的临近的单元进行胶接，形成一个完整的软体磁性机器人；使用高能激光对机器人单元进行切割，并利用转印技术转印新的功能单元实现对软体磁性机器人功能的修复、升级、更新或者重构。
本实施方式中，利用转印印章190对特定图案的磁矢量单元170进行转印，并转移打印至可溶的粘性受体基底200上，重复上述转印过程，即可实现软体磁机器人在粘性受体基底200上的装配；接着，将各个磁矢量单元170之间进行胶接，最后将软体磁机器人同粘性受体基底200置于水中溶解，得到独立的软体磁性机器人，若将可溶的粘性受体基底200换为三维的可溶基底，即可实现在三维基底上实现对三维软体机器人的装配。其中，除了转印磁矢量单元170，其它的异质功能单元也可以通过该方法实现异质集成。当然在其他实施方式中，磁此矢量单元170可以一次进行转印。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于，该异质集成方法包括以下步骤：
(1)将磁膜进行预固化后放置在磁化磁场中以对所述磁膜中的铁磁微颗粒进行重新排列或固化后充磁，得到具有特定磁畴方向的磁化磁膜；接着将磁膜进行加热完全固化；
(2)将磁膜转移至供体基底上，并使用激光将磁膜切割成图案化的磁矢量单元及剩余部，同时采用激光对剩余部进行表面烧蚀以选择性改变剩余部的表面粘性，由此磁矢量单元及剩余部的表面粘性形成差异化；
(3)采用粘性印章将磁矢量单元或异质功能单元转印至可溶的粘性受体基底上，并将各个磁矢量单元间进行胶接后置于水中溶解，由此得到具有一定形状的二维/三维磁畴和功能的软体磁性机器人。
2.如权利要求1所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：步骤(1)之前包括以下步骤：将NdFeB铁磁微颗粒与聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂充分混合后在抽真空条件下除去气泡，接着利用刮刀在成型基底上将得到的混合物刮成膜状以形成均匀的所述磁膜。
3.如权利要求1所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：将磁膜放在60℃～85℃加热台上加热2～4分钟进行预固化，再将磁膜放在匀强的磁化磁场中对铁磁微粒子进行重新排列，得到具有预定磁畴方向的磁化磁膜，并将磁膜放在60℃～85℃烘箱中加热30～50分钟完全固化；或者省略预固化步骤而直接进行完全固化，并将完全固化的的磁膜放在3T的脉冲磁场下进行充磁磁化。
4.如权利要求3所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：预固化时所采用的磁化磁场的磁通为2500Gs，完全固化时所采用的充磁磁场为3T；所述激光为紫外激光光束，表面烧蚀时所采用激光的脉冲频率为80kHz，脉冲宽度为0.1us，工作电流为33.5A，激光扫描速度为100mm/s～2200mm/s，扫描间距为0.04mm～0.16mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：剩余部和供体基底表面的能量释放率大于剩余部和粘性印章表面的能量释放率，而磁矢量单元和供体基底表面的能量释放率小于磁矢量单元与粘性印章表面之间的能量释放率。
6.如权利要求1-4任一项所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：粘性受体基底为水溶性的平面粘性基底或者聚乙烯醇三维基底。
7.如权利要求1-4任一项所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：所述异质功能单元包括能源捕获、存储和管理单元、传感单元、驱动单元、计算和通讯单元中的任一个替换。
8.如权利要求1-4任一项所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：磁膜的磁化方向、激光切割的图案类型、可溶的粘性受体基底形状、转印过程中单元的排布方式以及约束决定了最终的软体磁机器人的构型，异质的不同功能单元的集成决定了软体磁机器人的最终配置和功能性。
9.如权利要求1所述的基于粘性转印的软体机器人的异质集成方法，其特征在于：将磁膜放在75℃加热台上加热3分钟以进行预固化来降低其流动性，再放在由磁化强磁铁对产生的匀强的磁化磁场中以对NdFeB铁磁微粒子进行重新排列或固化后在脉冲强磁场下充磁，得到具有预定磁畴方向的磁化磁膜。
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