CN112480309B - 一种可变形智能水凝胶机器人及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，具体为一种可变形智能水凝胶机器人及其制备方法。本发明提供的可变形智能水凝胶机器人由甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体通过光引发聚合而成的刺激响应智能水凝胶构成的。该刺激响应智能水凝胶释放到水的表面，由于吸水过程可以产生表面张力梯度，使其实现自主游动。并且用该刺激响应智能水凝胶制造成的游动软机器人可以在不同的外界刺激下进行形状改变，由于变形可以改变运动模式和轨迹。本发明可以制成各种形状的在水面自主运动的游动机器人，并且可以通过形状改变使其具有出色的运动灵活性和对复杂环境的相容性，在医疗和环境保护方面具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可变形智能水凝胶机器人及其制备方法。
背景技术
水凝胶是由功能高分子交联形成的三维网络结构，具有含水量大、柔软、生活兼容性好等优点。响应水凝胶是指对外部环境的变化作出相应的物理或化学结构变化的智能水凝胶。由于其可以随外界环境变化而产生形变，可以作为智能驱动材料应用于柔性机器人驱动等领域。
现有的水面游动机器人大多是传统的具有复杂结构的刚性机器人，通常由电池提供能源，虽然其功率大、运动速度快、载荷大，但是也存在着灵活性差、较差的环境适应能力、难以在酸性或碱性液体表面、狭窄的空间或形状复杂变化的通道等复杂环境中工作的缺点。因此越来越多的研究人员开始关注软体机器人。软体机器人主要以智能材料为主体，刺激响应的智能水凝胶可以在外界刺激下相应的改变形状，具有自适应性，为水面游动的变形软机器人提供了很大的可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运动灵活，对复杂环境相容性好的可变形智能水凝胶机器人及其制备方法。
本发明提供的可变形智能水凝胶机器人，由甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体共同聚合而成的水凝胶构成。
本发明提供的智能水凝胶机器人的制备方法，具体步骤为：
（1）将甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体混合成单体混合液，再向其中依次加入交联剂、光引发剂，得到前驱液；
（2）对前驱液进行辐照，得到可变形智能水凝胶机器人；所述辐照在紫外灯下进行，所用紫外光波长为365纳米，所述辐照的时间优选为10秒~ 60分钟。
其中，所述含有刺激响应官能团的单体为丙烯酸、偶氮苯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸或N-异丙基丙烯酰胺；
当含有刺激响应官能团的单体为丙烯酸时，该智能水凝胶机器人对pH刺激有响应；
当含有刺激响应官能团的单体为偶氮苯时，该智能水凝胶机器人对光刺激有响应；
当含有刺激响应官能团的单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸时，该智能水凝胶机器人对电刺激有响应。
当含有刺激响应官能团的单体为N-异丙基丙烯酰胺时，该智能水凝胶机器人对温度刺激有响应。
本发明中，所述交联剂优选为乙二醇二甲基丙烯酸酯。
本发明中，所述光引发剂优选为2-羟基-2-甲基苯丙酮。.
本发明中，所述甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体的体积比优选为1:1~ 10:1（（1~ 10）:1），混合成为单体混合液。
本发明中，所述单体混合液和交联剂以及光引发剂的体积比优选为50:1:5 ~ 1:1:1（（50 ~ 1）:1: （5~1））。
本发明中，所述辐照，是把前驱液置于聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中进行辐照；
本发明中，所述可变形智能水凝胶机器人的上下表面积小于50平方厘米，厚度小于1厘米（具体由模具尺寸确定）。
本发明中，所述可变形智能水凝胶机器人在表面张力系数为62 ~ 77 mN/m的含水液体与空气的界面均可进行自主游动并在相应的刺激下变形，在变形的同时运动模式随之改变。
本发明提供的可变形智能水凝胶机器人的具体工作原理如下：
所述可变形智能水凝胶机器人释放到含水液体的表面后，由于其吸水作用和亲疏水官能团互换作用，可以在含水液体的表面建立表面张力梯度，从而在水面进行自主运动。而且所述可变形智能水凝胶机器人含有刺激响应官能团，能在环境中受到相应的刺激后，其内部官能团发生变化，引起其吸水速率变化，从而在宏观上引起形状变化，进而改变运动模式和轨迹。
本发明有益效果：本发明提供的可变形智能水凝胶机器人的制备及控制方法，实现了水面游动软机器人的自主运动及按需改变运动模式。
本发明的独创性在于利用自建表面张力梯度的新型刺激响应智能水凝胶制备出可以在含水液体的表面进展自主游动的可变形智能水凝胶机器人。通过升高温度；加入碱性物质；施加电压或者照射波长为460纳米的光，都可以使其形状改变，从而改变运动模式和轨迹。
本发明制备的智能水凝胶机器人，可以制成各种形状的在水面自主运动的游动机器人，并且可以通过形状改变使其具有出色的运动灵活性和对复杂环境的相容性，在医疗和环境保护方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为可变形智能水凝胶机器人在外界温度刺激前后的实物对比图。
图2为可变形智能水凝胶机器人在外界温度刺激前后的运动轨迹对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种可变形智能水凝胶机器人，全部由甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体共同聚合而成的水凝胶构成。
本发明提供了上述技术方案所述智能水凝胶机器人的制备方法，包括以下步骤：
将甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体混合好再向其中依次加入交联剂、光引发剂得到前驱液，对前驱液进行辐照，得到可变形智能水凝胶机器人。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体充分混合溶解成为单体混合液。在本发明中，当含有刺激响应官能团的单体为丙烯酸时，该智能水凝胶对pH刺激响应。当含有刺激响应官能团的单体为偶氮苯时，该智能水凝胶对光刺激响应。当含有刺激响应官能团的单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸时，该智能水凝胶对电刺激响应。当含有刺激响应官能团的单体为N-异丙基丙烯酰胺，该智能水凝胶对温度刺激响应。在本发明中，所述单体混合液中甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体的体积比优选为1:1 ~10:1。在本发明中，然后向单体混合液中依次加入交联剂和光引发剂得到前驱液。所述交联剂优选为乙二醇二甲基丙烯酸酯，所述光引发剂优选为2-羟基-2-甲基苯丙酮。在本发明中，所述单体混合液和交联剂以及光引发剂的体积比优选为50:1:5 ~ 1:1:1。然后向混合好的前驱液中遮光通入高纯氮气5分钟至各种成分充分混合均匀且去除溶解氧；本发明对所述的通入氮气的速率没有特殊的限定，能够使得各充分混合均匀并去除溶解氧即可。本发明在遮光条件下通入氮气是为了避免光引发剂在日光下失效。
完成所述混合后，本发明将所得的前驱液进行辐照。本发明优选将所得的前驱液置于聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中进行辐照，所述辐照优选在紫外灯下进行，所用紫外光波长为365纳米；所述辐照的时间优选为10秒~60分钟。
本发明中，所述模具的材料优选为聚二甲基硅氧烷，本发明优选采用激光切割技术与PDMS成型技术制作所述模具。
本发明中，所述模具的制备方法包括以下几个步骤：使用使用AutoCAD软件对模具的形状进行设计和建模，建模文件保存为dwg.格式；将dwg.格式建模文件导入激光切割机，以亚克力板材为原料，制造出亚克力凸模模具；在所述凸模模具上，采用PDMS成型工艺制造出模具。
本发明中，所述PDMS模具用于实现溶液的紫外光固化成形。本发明对所述建模、激光切割亚克力和PDMS成型的具体过程没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的常规方法即可。
本发明中，所述可变形智能水凝胶机器人的上下表面积小于50平方厘米，厚度小于1厘米，具体尺寸由模具尺寸决定。图1为在水面自主运动的刺激响应变形的游动软机器人在外界刺激前后的实物对比图，其中1为刺激响应变形的软机器人。
本发明中，所述游动软机器人在水面上释放之后，即可由于自身的吸水作用和含有的基团的亲疏互换作用，在水面建立表面张力梯度，由于马拉戈尼效应，该智能水凝胶在水面可以在没有外界能量供应的情况下进行自主运动。所述可变形智能水凝胶机器人在表面张力系数为62 ~ 77 mN/m的含水液体与空气的界面均可进行自主游动并在外界环境刺激后形状改变。图2展示了在900平方厘米的水面上，用一个8.675平方厘米的可变形智能水凝胶机器人进行自主游动并在外界温度刺激后改变运动模式的轨迹图。其中，2为在温度刺激前游动软机器人的中心点的运动轨迹图，3为在温度刺激前游动软机器人的边缘点的运动轨迹图，4为在温度刺激后游动软机器人的中心点的运动轨迹图，5为在温度刺激后游动软机器人的边缘点的运动轨迹图。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
刺激响应智能水凝胶前驱液的制作：将甲基丙烯酸羟乙酯和0.2g/ml浓度的N-异丙基丙烯酰胺以体积比1:1混合成单体混合液，然后加入交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯，交联剂与单体混合液的体积比为1:40；然后加入光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮，其余单体混合液的体积比为1:10，遮光通入高纯氮气5分钟，得到配置好的前驱液。
模具制作：使用AutoCAD软件对模具进行3D建模，建模文件保存为dwg.格式；将dwg.格式的建模文件导入激光切割机，激光切割亚克力板材，制作出亚克力凸模，凸起为边长为2厘米正五角星形，高度2毫米；在所述的亚克力凸模上，使用PDMS成型工艺，制造出PDMS模具。
可变形智能水凝胶机器人的制作：将所述配置好的前驱液注入PDMS模具中，在其上方照射紫外光，使用波长365纳米的紫外灯照射1分钟，得到固化好的智能水凝胶机器人。所述智能水凝胶机器人为正五角星形，边长为2厘米，厚度2毫米。将智能水凝胶释放到水表面，即为在水面自主运动的智能水凝胶机器人。
可变形智能水凝胶机器人工作：将所述的在水面自主运动的游动软机器人释放到水面，使用热板将游动机器人附近局域加热到60℃。
实施例2
按照实施例1所述方案，区别仅在于：加入的含有刺激响应官能团的物质为丙烯酸，得到的所述智能水凝胶为pH刺激响应，并且甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸的体积比为2:1。施加pH刺激的方式为向游动软机器人附近加入碱性物质。
实施例3
按照实施例1所述方案，区别仅在于：加入的含有刺激响应官能团的物质为2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸，得到的所述智能水凝胶为电刺激响应，并且甲基丙烯酸羟乙酯和2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸的体积比为2:1。施加电刺激的方式为向游动软机器人附近施加变化的直流电压。
实施例4
按照实施例1所述方法，区别仅在于：加入的含有刺激响应官能团的物质为偶氮苯，得到的所述智能水凝胶为光刺激响应，并且甲基丙烯酸羟乙酯和偶氮苯的体积比为5:1。施加光刺激的方式为向游动软机器人上方照射波长为460纳米的光。
按照实施例1所述方案，对实施例2、实施例3和实施例4的在水面自主运动的游动机器人进行验证，结果表明实施例2、实施例3和实施例4的游动机器人也可以在释放到水面后进行自主运动，在响应的外界环境刺激施加后，可以进行相应的形状改变和运动模式的改变。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种可变形智能水凝胶机器人的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）将甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体混合成单体混合液，再向其中依次加入交联剂、光引发剂，得到前驱液；
（2）对前驱液进行辐照，得到可变形智能水凝胶机器人；所述辐照在紫外灯下进行，所用紫外光波长为365纳米，所述辐照的时间为10秒~ 60分钟；
所述含有刺激响应官能团的单体为丙烯酸、偶氮苯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸或N-异丙基丙烯酰胺；其中：
当含有刺激响应官能团的单体为丙烯酸时，该智能水凝胶机器人对pH刺激有响应；
当含有刺激响应官能团的单体为偶氮苯时，该智能水凝胶机器人对光刺激有响应；
当含有刺激响应官能团的单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸时，该智能水凝胶机器人对电刺激有响应；
当含有刺激响应官能团的单体为N-异丙基丙烯酰胺时，该智能水凝胶机器人对温度刺激有响应；
所述单体混合液中，甲基丙烯酸羟乙酯和含有刺激响应官能团的单体的体积比为（1~10）:1；
所述单体混合液和交联剂以及光引发剂的体积比为（1~ 50）:1:（1~5）；
所述可变形智能水凝胶机器人的上下表面积小于50平方厘米，厚度小于1厘米，具体由模具尺寸确定；
所述可变形智能水凝胶机器人在表面张力系数为62 ~ 77 mN/m的含水液体与空气的界面进行自主游动并在相应的刺激下变形，在变形的同时运动模式随之改变。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述辐照是把前驱液置于聚二甲基硅氧烷模具中进行。
4.一种由权利要求1~3之一所述制备方法得到的可变形智能水凝胶机器人。
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