CN113601538A - 一种基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器。包括微纳光纤、第一变形材料膜和第二变形材料膜，微纳光纤一端设有过渡区和腰区，过渡区和腰区封装在第一变形材料膜中，第一变形材料膜一侧布置覆盖第二变形材料膜，第一变形材料膜或第二变形材料膜中掺杂有光热转化材料；第一变形材料膜的折射率小于微纳光纤纤芯的折射率，第一变形材料膜和第二变形材料膜的热膨胀系数不同。本发明可克服空间光型驱动器易受空间环境限制的缺陷，且具有变形幅度大、响应速度快等优点，便于应用在软体机器人、智能抓取、体内手术等领域。

Description

一种基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器
技术领域
本发明涉及一种光驱动器的设计与制备，具体是涉及了一种基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器。
背景技术
可以将外部刺激转换为机械运动的软驱动器在许多前沿应用中具有巨大潜力，例如软机器人，人造肌肉，仿生运动和物体抓取等。由磁场、电场、温度和湿度等不同刺激驱动的各种软驱动器已被广泛报道。其中，由光驱动的光驱动器由于易于远程控制并可以长距离传输，以及波长、强度和偏振等参数的可调节性而受到了特别的关注。
之前研究中的绝大多数光驱动器都是由自由空间光触发的，这意味着光源和驱动器之间必须有直线光路，对于易受遮挡的情况驱动器的使用受到极大限制。而且在长距离运输过程中，自由空间光的强度可能会由于环境介质的散射、吸收等显着降低，影响驱动器的驱动效率。使用光波导将光传输到驱动器中是克服这些限制的有效策略，因为光可以通过光波导长距离传输，避免传输路径的遮挡和传输过程中的能量损失。
然而，目前关于光波导驱动器的研究十分缺乏，并且所报道的光波导驱动器由于所用的光波导材料多为商用光纤，其尺寸较大(>100微米)，导致驱动器厚度较大，且易造成与光响应性材料的尺寸不匹配而降低能量利用率，因此目前已有的光波导型驱动器的变形幅度较小且响应时间较长，难以满足实际使用的需要。因此，开发具有大变形能力的光波导驱动器具有重要的科学价值和应用价值，且需从驱动器的结构设计等方面进行创新。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器。本发明可克服空间光型驱动器易受空间环境限制的缺陷，且具有变形幅度大、响应速度快等优点，便于应用在软体机器人、智能抓取、体内手术等领域。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括微纳光纤、第一变形材料膜和第二变形材料膜，微纳光纤一端设有过渡区和腰区，过渡区和腰区封装在第一变形材料膜中，第一变形材料膜一侧布置覆盖第二变形材料膜，第一变形材料膜或第二变形材料膜中掺杂有光热转化材料；所述第一变形材料膜的折射率小于微纳光纤纤芯的折射率，能够减少微纳光纤过渡区的光泄露，减少损耗；第一变形材料膜和第二变形材料膜的热膨胀系数不同。
所述的微纳光纤的腰区为光纤直径小于初始正常直径的一段，即为拉伸区。一般的腰区是经拉伸处理获得。过渡区为连接在腰区和正常直径的之间、直径逐渐变化过渡的一段，通常为锥形。
所述微纳光纤的未拉伸区封装于第一变形材料膜中，能够提高稳定性。
所述的微纳光纤的未拉伸区为和初始正常直径相同的一段。
所述的微纳光纤另一端连接光源。
所述的软体光驱动器采用以下方式制备：
PDMS预聚体旋涂在基底上并固化得到PDMS膜，使用加热拉伸法制备微纳光纤1形成锥形的过渡区和腰区，并将微纳光纤1固定在制备好的PDMS膜上面，随后在上再次浇铸PDMS预聚体，固化后得到包埋有微纳光纤1的第一变形材料膜2，这样使得微纳光纤1的全部过渡区和腰区和以及部分未拉伸区均包埋在第一变形材料膜2中；
将AuNR分散在GO悬浮液中，得到GO/AuNR悬浮液；再用等离子处理第一变形材料膜2，随后在第一变形材料膜2等离子处理后的表面涂覆GO/AuNR悬浮液，干燥后得到第二变形材料膜3；
将第一变形材料膜2和第二变形材料膜3整体从基底上剥离，并裁减为所需尺寸，得到基于微纳光纤的软体光驱动器。
所述的GO悬浮液的浓度为1-5mg/mL。
使用加热拉伸法制备微纳光纤1形成锥形的过渡区和腰区，具体是加热拉伸微纳光纤1的两端，使得微纳光纤1的中部直径被拉伸拉长导致直径减少变形，而形成腰区以及腰区两侧的过渡区，然后在腰区中间截断或者继续拉伸拉长使得腰区中间最细处被拉断。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用波导光进行驱动，克服空间光型驱动器易受遮挡、不易远程精准操作、难以在狭小空间内应用等缺陷；
(2)微纳光纤直径很小，可大大提高能量密度，显著提高驱动效率，降低驱动能耗；
(3)微纳光纤完全包埋在变形材料中，可将所传输的光全部导入变形材料内，提高了能量利用率；
(4)所制备的光波导型驱动器具有更大的变形角度和更快的响应速度。
附图说明
图1是包含两层变形材料的光驱动器结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3为本发明软体光驱动器的变形状态图。
图中，1-微纳光纤，2-第一变形材料膜，3-第二变形材料膜，4-光源。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的实施例如下：
实施例1：
以下以图1至图2所示的实施例为例，说明本发明基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器的结构和制备方法，及其变形机理。本实施例光驱动器包含一条微纳光纤和两层变形材料。
PDMS预聚体旋涂在玻璃基板上并在80℃下固化30分钟得到PDMS膜。使用加热拉伸法制备具有单锥结构的微纳光纤1形成锥形的过渡区和腰区，并将微纳光纤1固定在制备好的PDMS膜上面，随后在其上面再次浇铸PDMS预聚体，在80℃固化30分钟后，得到包埋有微纳光纤1的第一变形材料膜2。
微纳光纤1的全部过渡区、腰区和部分未拉伸区域均包埋在第一变形材料膜2中。
将AuNR分散在GO悬浮液(1-5mg/mL)中，得到GO/AuNR悬浮液。用等离子处理第一变形材料膜2，随后在其表面涂覆GO/AuNR悬浮液，在50℃下干燥后得到第二变形材料膜3。将样品从基底上剥离，并裁减为所需尺寸，得到基于微纳光纤的光驱动器。
当该光驱动器工作时，微纳光纤1的未包埋的一端连接光源4，光经微纳光纤1进入第一变形材料膜2，并传播至第二变形材料膜3，第二变形材料膜3中的AuNR将光转化为热引起温度上升，由于第一变形材料膜2比第二变形材料膜3的热膨胀系数高，且微纳光纤1有一定刚度，导致光驱动器向靠近第二变形材料膜3一侧弯曲而发生变形。即如图3所示向上弯曲变形。
具体实施中，微纳光纤1发出光会在没有微纳光纤的第一变形材料膜2和第二变形材料膜3区域发热，能有效带动整体驱动器变形。
实施例2：
以下以图1至图2所示的实施例为例，说明本发明基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器的结构和制备方法，及其变形机理。本实施例光驱动器包含一条微纳光纤和两层变形材料。
将PEG修饰的AuNR分散在PDMS预聚体中，随后旋涂在玻璃基板上并在80℃下固化30分钟得到PDMS/AuNR膜。使用加热拉伸法制备具有单锥结构的微纳光纤1形成锥形的过渡区和腰区，并将微纳光纤1固定在制备好的PDMS/AuNR膜上，随后在其上再次浇铸PDMS/AuNR预聚体，在80℃固化30分钟后，得到包埋有微纳光纤1的第一变形材料膜2。微纳光纤1的全部过渡区、腰区和部分未拉伸区域均包埋在第一变形材料膜2中。用等离子处理第一变形材料膜2，随后在其表面涂覆GO悬浮液(1-5mg/mL)，在50℃下干燥后得到第二变形材料膜3。将样品从基底上剥离，并裁减为所需尺寸，得到基于微纳光纤的光驱动器。
当该光驱动器工作时，微纳光纤1的未包埋的一端连接光源4，光经微纳光纤1进入第一变形材料膜2，其中的AuNR将光转化为热引起温度上升，由于第一变形材料膜2比第二变形材料膜3的热膨胀系数高，导致光驱动器向靠近第二变形材料膜3一侧弯曲二发生变形。即如图3所示向上弯曲变形。
实施例3：
以下以图1至图2所示的实施例为例，说明本发明基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器的结构和制备方法，及其变形机理。本实施例光驱动器包含一条微纳光纤和两层变形材料。
将PVDF-HFP溶于DMF中形成浓度为10-20％的溶液，随后将该溶液旋涂在玻璃基板上并在80℃下挥发溶剂得到PVDF-HFP膜。使用加热拉伸法制备具有单锥结构的微纳光纤1形成锥形的过渡区和腰区，并将微纳光纤1固定在制备好的PVDF-HFP膜上面，随后在其上面再次浇铸PVDF-HFP溶液，在80℃挥发溶剂后，得到包埋有微纳光纤1的第一变形材料膜2。
微纳光纤1的全部过渡区、腰区和部分未拉伸区域均包埋在第一变形材料膜2中。
将AuNR分散在GO悬浮液(1-5mg/mL)中，得到GO/AuNR悬浮液。用等离子处理第一变形材料膜2，随后在其表面涂覆GO/AuNR悬浮液，在50℃下干燥后得到第二变形材料膜3。将样品从基底上剥离，并裁减为所需尺寸，得到基于微纳光纤的光驱动器。
当该光驱动器工作时，微纳光纤1的未包埋的一端连接光源4，光经微纳光纤1进入第一变形材料膜2，并传播至第二变形材料膜3，第二变形材料膜3中的AuNR将光转化为热引起温度上升，由于第一变形材料膜2比第二变形材料膜3的热膨胀系数高，且微纳光纤1有一定刚度，导致光驱动器向靠近第二变形材料膜3一侧弯曲而发生变形。即如图3所示向上弯曲变形。

Claims (5)

1.一种基于微纳光纤的光波导型软体光驱动器，其特征在于：包括微纳光纤(1)、第一变形材料膜(2)和第二变形材料膜(3)，微纳光纤(1)一端设有过渡区和腰区，过渡区和腰区封装在第一变形材料膜(2)中，第一变形材料膜(2)一侧布置覆盖第二变形材料膜(3)，第一变形材料膜(2)或第二变形材料膜(3)中掺杂有光热转化材料；所述第一变形材料膜(2)的折射率小于微纳光纤(1)纤芯的折射率，第一变形材料膜(2)和第二变形材料膜(3)的热膨胀系数不同。
2.根据权利要求1所述的软体光驱动器，其特征在于：
所述微纳光纤的未拉伸区封装于第一变形材料膜中。
3.根据权利要求1所述的软体光驱动器，其特征在于：
所述的微纳光纤(1)另一端连接光源(4)。
4.根据权利要求1所述的软体光驱动器，其特征在于：
所述的软体光驱动器采用以下方式制备：PDMS预聚体旋涂在基底上并固化得到PDMS膜，使用加热拉伸法制备微纳光纤1形成过渡区和腰区，并将微纳光纤1固定在制备好的PDMS膜上面，随后在上再次浇铸PDMS预聚体，固化后得到包埋有微纳光纤1的第一变形材料膜2；将AuNR分散在GO悬浮液中，得到GO/AuNR悬浮液；再用等离子处理第一变形材料膜2，随后在第一变形材料膜2等离子处理后的表面涂覆GO/AuNR悬浮液，干燥后得到第二变形材料膜3；将第一变形材料膜2和第二变形材料膜3整体从基底上剥离，并裁减为所需尺寸，得到基于微纳光纤的软体光驱动器。
5.根据权利要求4所述的软体光驱动器，其特征在于：
所述的GO悬浮液的浓度为1-5mg/mL。
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