CN113119149A - 一种基于低熔点金属固液相变的磁性液态抓手及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液态金属材料应用技术领域，具体涉及一种基于低熔点金属固液相变的磁性液态抓手及其应用。本发明提供的液态抓手为低熔点金属材料；所述低熔点金属材料包括液态金属和改性剂；所述液态金属为镓、铟、铋或其合金中的一种或多种；所述改性剂为微米级金属粉末；所述金属粉末为铁、铜或镍中的一种或多种；所述改性剂与所述液态金属的质量比为(0.1‑0.5)：1。本发明首次提出了液态金属抓手概念，其利用液态金属的固液相变的特点实现抓取和释放功能。所述液态抓手能够实现对不同形状、不同尺寸、不同结构的物体的抓取和释放；且抓取力大、固液相变抓取力切换幅度高，固液转变时间短。同时结合该抓手材料的磁响应特性和抓取力差异，可实现磁场控制非磁性物体。

Description

一种基于低熔点金属固液相变的磁性液态抓手及其应用

技术领域

本发明属于液态金属材料应用技术领域，具体涉及一种可实现对任意形状物体抓取的、具有超强抓取力的基于低熔点金属固液相变的磁性液态抓手及其应用。

背景技术

目前，能够实现抓取和释放功能的抓手在工业、农业、医疗等诸多领域具有广泛的应用价值。

传统的固态抓手具有固定的机械结构，只能够抓取特定形状和一定尺寸范围的物体，对于不规则物体、尺寸在抓取范围之外的物体并不适用；并且抓取的过程需要结合精密的控制系统，从而产生适当的抓取力，这些局限性限制了其更为广泛的应用。

为了改善传统固体抓手的不足，研究者们提出了柔性抓手策略。例如，利用具有形状记忆功能的聚合物材料的弹性模量的改变来产生可切换的抓取力，实现对不同形状的物体的抓取。但这种聚合物材料只能抓取比抓手尺寸小的物体，并且其中所产生的抓取力较弱，模量切换响应时间较长。

另外，还可通过磁流体的磁控硬度改变策略来实现对物体的包裹和抓取。但是这种磁控模量切换幅度较小，抓取力较弱，在实际应用过程中该抓手无法抓取比自身尺寸较大的物体。而且，抓手对物体的抓取必须要在磁场的存在下，一旦撤去磁场，则抓取力无法维持。

发明内容

本发明第一方面提供一种基于低熔点金属固液相变的磁性液态抓手，利用金属磁流体材料在温控下的固液变相转换来实现对物体的抓取和磁场操控。所述金液态抓手在30℃以上时为液态，可以与任意形状物体接触；室温(25℃)下固化的同时产生抓取力，可与物体粘附在一起，进而物体能够被磁场操控；磁控结束之后，再次加热恢复液态，液态金属磁流体材料与物体粘附力降低，物体被释放。需要指出的是，液态金属磁流体材料与物体的接触方式可以是表面接触、包裹镶嵌或钻入缝隙。

本发明所述液态抓手实现了利用液态金属直接抓取或释放物体的功能；由于不需要借助其他辅助结构，因而不受物体的尺寸大小限制，适用性更灵活；而且，所述液态抓手的模量切换幅度较大，模量切换响应时间较快。更重要的是，该金属磁流体材料在室温下为固态，即便无外界能量输入，其抓取力也可以长时间维持。

本发明提供的液态抓手为低熔点金属材料；所述低熔点金属材料包括液态金属和改性剂；

所述液态金属为镓、铟、铋或其合金中的一种或多种；

所述改性剂为微米级金属粉末；所述金属粉末为铁、铜或镍中的一种或多种；

所述改性剂与所述液态金属的质量比为(0.1-0.5)：1。

本发明对现有柔性抓手研究后发现，目前柔性抓手虽是利用相变材料实现模量切换，但幅度小，抓取力不足，且仍须借助于其他辅助结构(如气囊)实现抓取或释放，抓取范围受到一定限制。

为此，本发明首次提出利用液态金属的加热相变特性对界面粘附力的改变，使液态金属直接作为液态抓手抓取或释放物体的这一发明构思；由于不需要借助其他辅助结构，因而不受物体的尺寸大小限制，适用性更灵活。

本发明选择的液态金属具有较大的模量切换幅度，其固液相变对界面产生粘附力的切换比例至少达到10³倍；对于某些物体(如柱状体)，通过包裹形式抓取时，其抓取力切换比例可超过10⁹倍，且完全可逆。

然而，在实际应用中发现，液态金属虽能够实现抓取和释放功能，但其过冷度较大，导致熔化及固化速度过慢，在实际操作过程中耗时过长，不具备工业可操作性；因此，有必要通过改进降低液态金属的过冷度，提高其实际操作性。

为此，本发明进一步研究后发现，通过在液态金属中添加上述改性剂，利用其导电性，可在交变磁场下被快速加热；另外所添加改性剂为微米级颗粒，可以作为凝结核，有效降低液态金属凝固时过冷效应，解决了固液相转变速度慢的问题，从而显著提高液态金属的熔化及固化速度，大大缩短了熔化时间和固化时间，使利用液态金属直接作为液态抓手的方法更具可操作性，更利于推广使用。同时，由于部分改性剂具有磁性，使得所述低熔点金属材料具备磁响应特性，因而可使整个被抓取物体被磁场进行操控。

本发明所述的液态抓手具有如下性能指标：

(1)熔点为30℃以上，室温25℃为固态；

(2)弹性模量超过3GPa；

(3)固态抓取力至少大于3N/g，液态抓取力小于0.001N/g；

(4)抓取和释放重复超过1000次而无性能损失。

(5)可以通过磁场实现对非磁性物质的控制。

优选地，所述液态金属为镓、镓基合金或铋基合金；对于光滑表面，镓基合金黏附效果较好；对于粗糙表面且需要较大粘附力时，则优选铋基合金。进一步优选为镓锡合金或铋铟锡锌合金。

本发明进一步研究发现，所述改性剂的粒度尺寸对过冷度降低效果有实质性影响。若金属粉末的粒度过大，会出现颗粒分布不均匀的问题；而粒度过小，则会出现氧化严重的问题。为此，本发明控制所述改性剂的粒度尺寸范围为20-90μm，优选30-50μm。

本发明还进一步研究了液态金属与改性剂的匹配关系对液态抓手的抓取与释放效果的影响关系。所述液态抓手中，液态金属为镓基合金，改性剂为粒度30-40μm的铁；所述改性剂与所述液态金属的质量比为(0.3-0.5)：1。按照此条件配制的金属材料具有流动性好，氧化性低的优点，其作为液态抓手在可重复性能方面效果更好。

为了实现磁控运动，本发明所述的液态抓手还包括磁性助剂，所述磁性助剂占所述液态金属质量的5-40％。然而，本发明发现，磁控运动效果与磁性助剂的添加比例及其尺寸大小有关；添加方式不当则导致磁控运动控制性差，或影响液态抓手液模量切换幅度及速度。为此，本发明控制所述磁性助剂占所述液态金属质量的25-35％，所述磁性助剂的粒度范围为30-50μm。

此外，本发明还发现，磁性助剂以常规方式加入液态抓手中时，出现容易分离以及氧化严重的问题。为此，本发明提出在高浓度盐酸和高温体系条件下加入磁性助剂，以提高其融入效果；所述盐酸的浓度高于3mol/L，所述体系的温度高于40℃。

本发明第二方面提供一种抓取装置，包括上述液态抓手及加热单元；所述加热单元为电加热组件、水浴加热组件或电磁感应无线加热组件。本发明所述抓取装置具有结构简单，操作方便、快捷等优点。而且，利用电磁加热组件还可实现远程控制，可应用于更多场景中。

本发明第三方面提供一种抓取方法，利用加热单元使液态抓手熔化，并通过包裹、嵌合或粘附的形式对物体实现抓取；所述物体为固体。

本发明所述抓取的形式是基于待抓取物体的表面粗糙度而定：

对于表面光滑的物体，如玻璃，所述液态抓手通过粘附方式(范德华力)进行抓取；

对于表面粗糙的物体，如鸡蛋、石头、螺钉等，所述液态抓手通过包裹、嵌合(摩擦作用力)进行抓取。

本发明第四方面还提供上述液态抓手或抓取装置在工业抓取机器人、农业采摘机器人、器件转印等领域中的应用。所述液态抓手可以抓取任意形状和尺寸的物体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明首次提出了液态金属抓手概念，其利用液态金属的固液相变的特点实现抓取和释放功能。所述液态抓手可以将任意形状物体包裹，或渗透到物体空隙结构中，或在凝固过程中对接触面产生范德华力；基于这一工作原理，液体抓手能够实现对不同形状、不同尺寸、不同结构的物体的抓取和释放。试验表明，10g金属能够产生超过1100N的抓取力，固液相变抓取力切换超过10⁶倍，固液转变时间可以在较短时间完成，这些都是相比于传统技术的优势。

附图说明

图1为本发明所述液态抓手的工作示意图。

图2为实施例中不同抓取形式的抓取力测试结果。

图3为实施例中抓取鸡蛋的工作示意图。

图4为实施例中抓取玻璃的工作示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种液态抓手的使用方法，如图1所示：

(1)将液态抓手加热熔化；

(2)将熔化的液态抓手接触不规则物体，液态抓手凝固的同时嵌入物体结构；

(3)利用电磁控制液态抓手移动，同时带动物体移动；

(4)再次熔化液态抓手，释放物体。

本发明所述的液态抓手的工作模式包括两种：

一种是利用低熔点金属在液态时可以包裹、嵌入任意形状的物体，然后固化，使得低熔点金属与目标固体紧紧锁定在一起，可以产生巨大的抓取力，如图2中左图所示。

例如，当低熔点金属材料为镓时，10g的低熔点金属材料固化后可以产生超过1168N的镶嵌力量，而融化后镶嵌力瞬间下降至低于0.01N。采用这种镶嵌力的切换以及低熔点金属的磁性，可以使得磁场操控非磁性物体。

另外一种方式是界面粘附，如图2中右图所示，金属表面会新生成氧化膜，从而使得金属与接触面之间的范德华力增加，粘附力也大大提升。如图所示，10g金属滴在光滑的平面上，会产生32.2N的粘附力。当加热熔化后，金属与界面之间的粘附力下降至0.01N以下。

实施例1

本实施例提供一种基于磁性低熔点液体金属通过嵌合形式实现磁控非磁性物体的方法，以鸡蛋为例，如图3所示，包括以下步骤：

(1)低熔点合金的配制：将铋铟锡锌金属加热熔化(质量比为68：21：6：5)，充分搅拌后冷却待用；

(2)磁性低熔点合金的配制：

取低熔点合金和磁性助剂金属粉末铁(38微米)，所述铁与所述液态金属的质量比为1:3(约为0.33:1)，放置于烧杯中，加入足量的高浓度盐酸，盐酸浓度应高于3mol/L，充分搅拌超过5分钟，取出其中的磁性低熔点合金。

(3)取2g所得磁性低熔点合金，加热至液态，包裹在一个63g的鸡蛋一侧，接着在室温下，待磁性低熔点合金凝固并与鸡蛋粘附在一起，此时通过磁场即可提起鸡蛋，并将其运输到指定位置，然后加热熔化磁性低熔点合金，并与鸡蛋分离，磁铁将磁性低熔点合金吸附，完成磁控功能。

该磁性低熔点合金可以再次固化粘附其他物体，使得材料整体显磁性，可以被磁场操控。

实施例2

本实施例提供一种基于磁性低熔点液体金属通过贴附形式实现磁控非磁性物体的方法，以玻璃为例，如图4所示，包括以下步骤：

(1)低熔点合金的配制：加热熔化镓和锡(锡为5％)，充分搅拌合金化，接着将30％的铁粉加入所制备合金中，加入3mol/L盐酸充分搅拌，取出其中磁性金属，获得低熔点合金抓手材料；

(2)首先在低熔点合金的液体状态时贴附玻璃表面，在固化过程中，合金表面会生成新的氧化膜，从而对光滑平面产生巨大的粘附力，从而使得玻璃整体可以被磁场抓取；当运输到指定位置时，可以加热熔化合金，释放玻璃材料。

此外，利用镓基磁性液态金属的相变，可以利用磁场抓取容量瓶、烧杯、培养皿等玻璃制品。

对比例1

本对比例提供一种液态抓手，与实施例1的区别在于，所述改性剂与所述液态金属的质量比为0.7：1。

结果显示，由于改性剂比例过大，凝固速度过快，导致液态抓手与待抓取物体表面的粘附力不足。

对比例2

本对比例提供一种液态抓手，与实施例1的区别在于，所述改性剂的颗粒尺寸相对较大，为80μm。

结果显示，改性剂颗粒分布不均匀，过冷度降低效果相对较差。

对比例3

本对比例提供一种液态抓手，与实施例1的区别在于：所述磁性助剂的加入方式为：所述盐酸的浓度为1mol/L，所述体系的温度为35℃。

结果显示，磁性助剂无法融入低熔点金属形成磁性液态金属。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种液态抓手，其特征在于，为低熔点金属材料；所述低熔点金属材料包括液态金属和改性剂；

所述液态金属为镓、铟、铋或其合金中的一种或多种；

所述改性剂为微米级金属粉末；所述金属粉末为铁、铜或镍中的一种或多种；

所述改性剂与所述液态金属的质量比为(0.1-0.5)：1。

2.根据权利要求1所述的液态抓手，其特征在于，所述液态金属为镓、镓锡合金或铋铟锡锌合金。

3.根据权利要求2所述的液态抓手，其特征在于，所述改性剂的粒度尺寸范围为20-90μm，优选为30-50μm。

4.根据权利要求3所述的液态抓手，其特征在于，所述液态抓手中，液态金属为镓基合金，改性剂为粒度30-40μm的铁；

所述改性剂与所述液态金属的质量比为(0.3-0.5)：1。

5.根据权利要求1-4任一项所述的液态抓手，其特征在于，所述液态抓手还包括磁性助剂；所述磁性助剂占所述液态金属质量的5-40％；

所述液态抓手具有磁响应特性，结合其抓取力差异，实现磁场操控任意形状的非磁性物体。

6.根据权利要求5所述的液态抓手，其特征在于，所述磁性助剂占所述液态金属质量的25-35％，所述磁性助剂的粒度范围为30-50μm。

7.根据权利要求5所述的液态抓手，其特征在于，所述磁性助剂的加入方式为：在高浓度盐酸条件下，将所述磁性助剂加入到一定温度的体系中；

所述盐酸的浓度高于3mol/L，所述体系的温度高于40℃。

8.一种抓取装置，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述液态抓手及加热单元；所述加热单元为电加热组件、水浴加热组件或电磁感应无线加热组件。

9.一种权利要求1-7任一项所述液态抓手的抓取方法，其特征在于，通过加热使液态抓手熔化，并通过包裹、嵌合或粘附的形式对物体实现抓取；所述物体为固体；

所述抓取的形式是基于待抓取物体的表面粗糙度而定：

对于表面光滑的物体，所述液态抓手通过粘附方式进行抓取；

对于表面粗糙的物体，所述液态抓手通过包裹、嵌合进行抓取。

10.权利要求1-7任一项所述液态抓手或权利要求8所述抓取装置在工业抓取机器人、体内载药机器手，农业采摘机器人或器件转印领域中的应用。

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