CN114193489A - 一种基于蒸汽响应智能薄膜材料的双刺激自驱动机器人手 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽响应的智能薄膜材料的制备方法，通过利用紫外照射改性的方法，制得具有蒸汽响应的智能薄膜材料，能够对小分子醇类、小分子酮类的蒸汽作出响应，响应速度快，反应灵敏，形变幅度大，可重复使用。制备方法简单，易于实现，成本低，制得智能薄膜材料的重复可逆性好，稳定性性高，对环境友好，应用前景广泛。基于所述智能薄膜材料制得的双刺激自驱动执行器和双刺激自驱动机器人手，在工作过程中，由蒸汽刺激引起的变形和尺寸变化，有利于所述执行器和机器人手适应不同尺寸的目标物体。TENG提供足够的静电力用于移动或控制目标物体，而不需要外接电源，推动了“自驱动模式”在智能执行器和机器人手领域的发展。

Description

一种基于蒸汽响应智能薄膜材料的双刺激自驱动机器人手
技术领域
本发明属于智能薄膜材料技术领域，具体涉及一种基于蒸汽响应智能薄膜材料的双刺激自驱动机器人手。
背景技术
21世纪，智能薄膜材料将会成为人们生活和生产中所运用的主导材料。这些年来，科研工作者对智能薄膜材料的应用进行了大量的研究并取得了飞速的发展。所谓的响应性材料，即智能薄膜材料，是在近几年发展起来的一类新型功能材料，它们对外界环境中的微小刺激信号如光照、温度、pH、离子强度以及机械强度等的变化产生快速反应，在结构和物理、化学性能上产生突变，这种材料被广泛应用于化学和生物传感器、药物控释材料、组织工程等方面。
近年来，在外部刺激下能提供机械响应的智能薄膜材料被广泛应用于微机器人、智能感觉系统、光学调制器和人工肌肉等领域。蒸汽响应的可变形材料是这些智能薄膜材料中最常见的材料之一。蒸汽分子含量的变化能够使这些材料产生内应力，使其能够在浓度变化时显示出各种不同程度的变形。到目前为止，已有多种材料用于制造蒸汽响应的执行器，包括电活性聚合物、离子交换膜、弹性体、碳纳米材料等。然而，大多数这些材料或成膜需要复杂的合成过程，并且市场上售卖价格昂贵。同时，对于进一步的实际应用，还需要这些材料同时具备环境稳定性和生物相容性。因此，非常有必要继续开发新的驱动材料，以满足易于制造、低成本、高稳定性和环境友好等要求。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种蒸汽响应的智能薄膜材料的制备方法，进一步，本发明还将所述蒸汽响应智能薄膜材料用于自驱动系统中，通过摩擦纳米发电机(TENG)与蒸汽响应智能薄膜材料的耦合，建立了双刺激自驱动致动器(执行器和机器人手)，利用乙醇等蒸汽用于控制智能薄膜材料的变形范围，TENG用于提供足够的驱动力，最终可以实现快速相应，高效且可自由扩展的自驱动致动系统。
本发明所采用的技术方案为：
一种蒸汽响应的智能薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚硅氧烷主剂与硬化剂混合均匀，之后采用抽真空方式排出体系中气泡，制得混合液；
(2)将步骤(1)制得混合液涂覆于硅片上，得到涂有材料膜层的样品片；
(3)将所述样品片先进行加热处理，再利用紫外线照射材料膜层，冷却后剥离，即得所述蒸汽响应的智能薄膜材料。
其中，利用紫外线照射对聚硅氧烷材料进行表面改性的基本原理如下：UV照射材料表面时，发射的短波紫外线(λ＝185nm)会分解O2，形成具有强氧化能力O3，聚硅氧烷材料表面的有机物和O3在UV照射下，会分解出一些极易挥发的气体(如H2O、CO2等)。其中，C-H结合能为413.6kJ/mol，进一步照射，聚硅氧烷材料表面的部分—OSi(CH3)2O—基团转化为—OSi4(OH)4-n，即发生断链和氧化反应而分解，并在材料表面形成一些极性亲水基团，如OH、COOH、CO、COO等原子团。经过UV灯在O2充足的环境下照射处理，聚硅氧烷材料表面会形成SiOx(X为有亲水性末端基团的链)，如硅羟基等。
所述聚硅氧烷主剂与固化剂的质量比为10:1-5:1。
所述聚硅氧烷主剂为聚二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、甲基乙基硅氧烷中的一种或几种的混合物。
所述固化剂为与所述聚硅烷主剂适配的固化剂。优选地，所述固化剂为正硅酸乙酯、二月硅酸二丁基锡、二甲苯、乙苯按照质量比5-20:1:1:1组成的混合物。
步骤(2)中，将所述混合液涂覆于硅片上之后，还对硅片进行匀胶处理；优选地，采用旋涂方式，通过控制旋涂的转速和时间，能够获得不同厚度的产物。旋涂转速控制在300-600r/min，时间在30-120s范围内。旋涂的转速、时间与薄膜的厚度关系为：转速越快，时间越长，则薄膜厚度越薄，反之亦反。当薄膜厚度在150μm-2mm范围时，表现出优异的蒸汽相应性能。
步骤(3)中，所述加热温度为80-120℃，加热时间为15-30min；通过控制加热温度和时间，获得不同硬度的产物。加热的目的在于使液体聚硅氧烷材料固化成膜，因此，加热温度过高或时间过长，会使样品硬度太大，相应速度降低。
所述紫外线照射的波长为185nm-254nm，所述紫外照射的时间为15-30min。通过控制紫外线照射时间，能够得到不同相应能力的产物。照射时间太短，材料表面化学反应不充分，产物数量少，将导致驱动能力不足，相应速度慢；照射时间太长，表面充分反应，材料硬度过大，所需驱动力增加，响应速度亦降低。
所述方法制得的蒸汽响应的智能薄膜材料。经研究发现，所述智能薄膜材料在乙醇等小分子醇类氛围中，智能材料会自发地、快速地未经紫外照射的一侧卷曲。
一种基于所述智能薄膜材料的双刺激自驱动执行器，包括第一组件和第二组件，所述第一组件和第二组件电连接；所述第一组件从下至上依次为：基底、设置在基底上的两个第一电极、设置在第一电极上的隔离层、所述智能薄膜材料层；其中，所述智能薄膜材料层被照射的面朝下，所述智能薄膜材料层用于在蒸汽作用下卷曲时包裹目标物体，蒸汽扩散后舒展开卸下目标物体；
所述第二组件为摩擦纳米发电机，为所述两个第一电极提供电源。
所述第一组件的基底，一般采用硬质的材料，作用是搭建一个执行器可在其上面运动的平台，起到支撑整个组件的作用，对材料的形状和尺寸有一定的要求，例如尺寸可为8*20cm的透明亚克力板，从经济适用的角度出发，可选择廉价的、易于得到和加工的、各种厚度的亚克力板或者玻璃材质等。
所述第一组件的两个电极的间距为1cm-2cm。所述第一组件的第一金属电极，为两片细且长的金属片，两个金属片保持1-2cm的间距固定在第一组件基底的两端，作用是将第一组件的电学输出通过导线传递到第二组件的金属电极，将在第二组件的金属电极周围建立一个瞬时的强电场(电场强度主要取决于第一组件电学输出)，对材料的形状和尺寸有一定的要求，例如，可选用尺寸为0.3*8cm的铝电极，从经济适用的角度出发，可选择廉价的、易于得到和加工的、各种厚度的铝胶带或者铜胶带等。
所述第一组件的隔离层，一般采用薄且轻质的绝缘材料，作用是：(1)防止智能薄膜材料层粘附在第一组件基底上阻碍其运动；(2)作为与智能薄膜材料层摩擦带电的摩擦层，摩擦后智能薄膜材料层带负电荷，第一组件隔离层带正电荷，因此，相对于智能薄膜材料层第一组件隔离层应具备容易失去电子的摩擦特性，可采用的是与基底尺寸吻合的尼龙布，也可以是例如：再生纤维素海绵、蚕丝类织物、棉类织物、羊毛类织物等。
所述第一组件智能薄膜材料层，作为运载薄膜，具有蒸汽响应特性，置于第一金属电极上方的相对位置，主要起到装载、运输、卸载物体的功能。作为可以选择的实施方式，智能薄膜材料层的尺寸为30mm*20mm*1.5mm，膜的最佳厚度范围在150μm-2mm之间，形状尺寸可根据需要适当改变。
所述第一组件放置在可通入蒸汽的密闭的盒子里；优选所述盒子为透明的盒子。所述第二组件为独立层模式摩擦纳米发电机，包括由上至下依次设置的摩擦滑块、两个第二金属电极和支撑平台；所述智能薄膜材料层与所述隔离层发生相对滑动和接触分离而带电；滑动所述第二组件摩擦滑块，在所述第一组件的两个第一电极之间产生瞬时强电场，在静电场力的作用下驱动所述智能薄膜材料层携带所述目标物体一起滚动。
第二组件的摩擦滑块包括位于上方的亚克力支撑层和位于下方的绝缘材料层，所述绝缘材料层紧贴所述第二金属电极的一侧设置，所述摩擦滑块主要是在一块轻质板材的下面贴上一层绝缘材料，作用是当其在第二组件金属电极发生相对滑动时，可以在接触表面产生摩擦电荷。作为可以选择的实施方式，所述亚克力支撑层与所述绝缘材料层之间还设置海绵材料层。即在绝缘材料层和轻质板材层(亚克力支撑层)之间，还加入了一层海绵材料层，目的是增大摩擦滑块与金属电极间的接触面积，提高电学输出和增大能量利用效率。
第二组件金属电极为两个独立的第二金属电极，固定在第二组件支撑平台上，两个金属电极的间距约1cm，作为可以选择的实施方式，所述第二金属电极为两片完全相同的10*12cm的铝胶带。
本发明人在长期研究中发现，第二组件摩擦滑块中的绝缘材料和金属电极得失电子能力相差越大，TENG输出信号越强，运输位移越大。作为可以选择的实施方式，根据实际需要选择合适的材料来制备TENG，以获得更好的运输效果。具有负极性的摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林(包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林I或派瑞林AF4)；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物苯乙烯一丁三烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。
所述第二组件支撑平台主要起到支撑作用，应满足一定的刚度要求，材料来源较为广泛，作为可以选择的实施方式，例如采用厚度0.5cm的透明亚克力板材。
所述第二金属电极通过导线连接至第一组件第一金属电极。所述双刺激自驱动执行器的第一组件整个组件在一个相对密闭的盒子中。所述第二组件摩擦滑块与第二组件的两个第二金属电极在外力作用下发生相对滑动摩擦，同时摩擦面积发生改变，并通过导线向第一组件的两个第一电极输出信号。所述第一组件是整个双刺激自驱动执行器的执行机构，所述第二组件是整个双刺激自驱动执行器的动力机构，第一组件和第二组件通过导线连接。
一种基于所述智能薄膜材料的双刺激自驱动机器人手，结构包括第三组件和第四组件，所述第三组件和第四组件电连接；
所述第三组件为夹持装置，所述夹持装置包括位于上半部的骨架和位于下半部的两个柔性手指，所述柔性手指为所述智能薄膜材料层和导电薄膜材料层组成的复合层结构；
所述第四组件为摩擦纳米发电机，为所述柔性手指的导电薄膜材料层提供电源，使两个柔性手指在静电作用下张开或者靠近闭合，实现对目标物体的抓取和释放动作。
两个所述柔性手指中所述智能薄膜材料层被照射一侧面对面设置，导电薄膜材料层朝外设置；
在蒸汽的驱动下，两个柔性手指同时向外侧弯曲逐渐张开；当摩擦纳米发电机的电极使两个柔性手指带有不同种电荷时，在静电场力的驱动下，两个手指相互吸引，克服卷曲力，使所述柔性手指重新靠近闭合以夹住目标物体。
所述柔性手指结构中，所述智能薄膜材料层与所述导电薄膜材料层的厚度比为1-2:1-2；优选的，所述智能薄膜材料层和导电薄膜材料层组成的复合层结构的总厚度为500μm-3mm。
所述导电薄膜材料层为掺杂导电炭黑的聚二甲基硅氧烷。
所述第三组件放置在可通入蒸汽的密闭的盒子里；优选为透明的盒子。
所述第四组件为独立层模式摩擦纳米发电机，结构包括由上至下依次设置的摩擦滑块、第二金属电极和支撑平台。
所述双刺激自驱动机器人手的骨架，主要提供支撑作用。所述双刺激自驱动机器人手的柔性手指，单侧涂覆智能薄膜材料，以使得所述柔性手指的单侧具有导电性和蒸汽响应特性。
所述双刺激自驱动机器人手的第三组件整个组件在一个相对密闭的盒子中。所述第三组件是整个双刺激自驱动机器人手的执行机构，所述第四组件是整个双刺激自驱动机器人手的动力机构，第三组件和第四组件通过导线连接，，实现第四组件对第三组件的静电驱动。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述蒸汽响应的智能薄膜材料的制备方法，通过利用紫外照射改性的方法，制得具有蒸汽响应的智能薄膜材料，能够对小分子醇类、小分子酮类的蒸汽作出响应，且具有响应速度快，反应灵敏，形变幅度大，可重复使用等特点。所述制备方法简单，易于实现，成本低，制得智能薄膜材料的重复可逆性好，稳定性性高，对环境友好，应用前景广泛，较好地解决了现有智能材料的缺陷。
(2)本发明基于所述智能薄膜材料制得的双刺激自驱动执行器和双刺激自驱动机器人手，在工作过程中，由蒸汽刺激引起的变形和尺寸变化，有利于所述执行器和机器人手适应不同尺寸的目标物体。独立层模式摩擦纳米发电机TENG提供足够的静电力用于移动或控制目标物体，而不需要外接电源，推动了“自驱动模式”在智能执行器和机器人手领域的发展。所述双刺激自驱动执行器和双刺激自驱动机器人手，无需大规模、高强度的能量输入，仅需输入的机械能能够驱动第二组件摩擦滑块和第二金属电极之间的相对滑动即可，因此，可有效收集自然界和人们日常生活中的各种强度的机械能，实现能量的高效利用。
(3)本发明基于所述智能薄膜材料制得的双刺激自驱动执行器和双刺激自驱动机器人手，结构简单，轻巧便携，易于制造安装；无需复杂、繁重的加工程序，采用的设备成本低，结构简单、体积小、制作方便、成本低廉，易于安装。
(4)本发明基于所述智能薄膜材料制得的双刺激自驱动执行器和双刺激自驱动机器人手，能够高效、快速、精准的运输和夹持目标物体，特别是轻微问题的运输与夹持，在工业生产中的各个领域均有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A-1C所示分别为本发明实施例1所述PDMS薄膜材料在乙醇蒸汽驱动下的展开—卷曲—展开过程；
图2所示为PDMS薄膜材料紫外线照射面的SEM图；
图3A、3B所示分别为水在PDMS前驱体薄膜材料以及实施例1所述PDMS薄膜材料UV照射面上的接触角；
图3C、3D所示分别为乙醇溶液在PDMS前驱体薄膜材料以及实施例1所述PDMS薄膜材料UV照射面上的接触角；
图4A-4D所示为光学显微镜下PDMS薄膜材料表面的裂纹在乙醇蒸汽作用下的动态变化过程；
图5所示为PDMS薄膜材料在尼龙布上卷曲起电过程；
图6所示为独立层模式摩擦纳米发电机的工作原理示意图；
图7所示为一种双刺激自驱动执行器的工作原理示意图；
图8所示为一种双刺激自驱动机器人手的工作原理示意图。
图中1-目标物体，2-PDMS薄膜材料，3-隔离层，4-摩擦滑块，5-第二金属电极，6-支撑平台，7-第一金属电极，8-基底，9-骨架，10-柔性手指，11-目标物体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种蒸汽响应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按照质量比10:1称取固体聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂(道康宁184，其中正硅酸乙酯、二月硅酸二丁基锡、二甲苯、乙苯的质量比为20:1:1:1)，充分搅拌使其混合均匀，置于真空干燥箱中(或其他可提供真空环境的装置)，之后逐渐抽真空方式使液体体系中气泡浮至表面并破裂，重复上述操作2次，直至体系中气泡全部抽取干净，制得混合液；
(2)取适量步骤(1)制得混合液涂覆于硅片上，设置匀胶机转速为350r/min，时间为40s，重复以上操作两次，得到涂有厚度为1.5mm材料膜层的样品片；
(3)将所述样品片置于烘箱中在80℃进行加热处理20min，再置于UV/O3清洗机中进行紫外线照射，所述紫外线照射的波长为185nm，所述紫外照射的时间为30min，冷却后从硅片上剥离，即得厚度为1.5mm的具有蒸汽响应的PDMS薄膜材料。
将所述具有蒸汽响应的PDMS薄膜材料裁剪成尺寸大小为2cm*3cm的长方形，一段固定好放置在密闭容器中，向容器内缓慢通入乙醇蒸汽，薄膜逐渐自下而上发生卷曲，整个过程历时约10s，打开通风隔板，乙醇迅速扩散至大气环境中，PDMS薄膜材料又恢复至初始状态。如图1A-C所示分别为本实施例所述PDMS薄膜材料在乙醇蒸汽驱动下的展开—卷曲—展开过程。
图2所示为经过UV照射改性处理后PDMS薄膜材料表面产生一系列微小的裂纹；这是由于：UV照射改性处理后，PDMS材料表面的部分—OSi(CH3)2O—基团转化为—OSi4(OH)4-n，即发生断链和氧化反应而分解，并在材料表面形成一些极性亲水基团，亲水基团降低了材料表面的疏水性，同时产生的SiOx使材料表面硬化，从而导致在PDMS薄膜材料表面产生一系列的裂纹。
图3A、3B分别显示的为水在PDMS前驱体薄膜材料以及实施例1所述PDMS薄膜材料UV照射面上的接触角，可见看到，水在PDMS前驱体薄膜材料上的接触角为112°，而水在实施例所述PDMS薄膜材料上的接触角降低为66°，从而说明经本发明UV/O3照射(UV照射有产生O3的作用，反应是在紫外和臭氧的双重作用下发生)改性处理后，PDMS薄膜材料的疏水性变化很大，材料的表面润湿性显著降低。
图3C、3D分别显示的为乙醇溶液在PDMS前驱体薄膜材料以及实施例1所述PDMS薄膜材料UV照射面上的接触角，可见看到，乙醇溶液在PDMS前驱体薄膜材料上的接触角为34°，而乙醇溶液在实施例所述PDMS薄膜材料上的接触角降低为0°。
乙醇分子在PDMS表面的UV/O3照射处理侧引起溶胀行为，并且在吸收乙醇分子后，材料表面的裂缝不断膨胀，从而朝向润湿性差且相对柔软的一侧弯曲(图1A-1C)。
将本实施例所述蒸汽响应的PDMS薄膜材料，紧密贴附在玻璃基底上，在其表面缓慢引入乙醇蒸汽，在光学显微镜下观察了表面的微观动态过程，如图4A-4D所示，UV/O3处理产生的裂缝吸收乙醇分子并连续膨胀。然而，由于底部玻璃基板的粘合效果，PDMS膜不能如上所述变形和卷曲。随着乙醇浓度增加，表面开始膨胀并变得不均匀。这些凸起和裂缝继续扩展，直到它们连接在一起形成一系列皱纹，即图4A-4D中所见的条纹皱纹结构。当停止输入乙醇蒸汽时，情况反转，皱纹开始消失，并且PDMS膜的表面逐渐恢复到其原始外观，表明上述卷曲过程是可逆的。本发明中所述PDMS薄膜与乙醇的这种变形行为的详细机理有两个原因：首先，紫外光照射产生的PDMS上的SiOx分子具有良好的乙醇吸收和膨胀特性，可以为变形提供基本的内应力。其次，UV/O3处理表面的润湿性变化导致乙醇液体完全浸没在表面上，这可以进一步促进变形过程。
进一步将本实施例制得的具有蒸汽响应的PDMS薄膜材料用于构建一种双刺激自驱动执行器，可以在蒸汽刺激和静电驱动的双重作用下，完成目标物体的装载、驱动、运输、卸载等一系列的过程，而不需要外接电源。
如图5-7所示，所述智能薄膜材料的双刺激自驱动执行器，结构包括第一组件和第二组件，所述第一组件和第二组件电连接。
所述第一组件从下至上依次为基底8、设置在基底上的两个第一电极7、设置在第一电极上的隔离层3、上述制备的智能薄膜材料层PDMS薄膜材料2，其中智能薄膜材料层用于抓取目标物体1；本实施例中隔离层3为尼龙，两个第一电极可以为金属，为两片尺寸为0.3*8的铝电极，基底为尺寸为8*20的透明亚克力板，PDMS薄膜材料2的尺寸为30mm*20mm*1.5mm。
所述第二组件为独立层模式摩擦纳米发电机，所述独立层模式摩擦纳米发电机的结构包括由上至下依次设置的摩擦滑块4、两个独立的第二金属电极5和支撑平台6。
所述摩擦滑块4包括上方的亚克力支撑层和下方的绝缘材料层，所述绝缘材料层紧贴所述第二金属电极的一侧设置。所述摩擦滑块4主要是在一块轻质板材(支撑层)的下面贴上一层绝缘材料，当其在第二组件金属电极发生相对滑动时，可以在接触表面产生摩擦电荷。优选地，本实施例中，所述摩擦滑块4在绝缘材料层(Kapton，美国杜邦公司生产)和亚克力支撑层之间，还加入了一层海绵材料层，目的是增大摩擦滑块4与第二金属电极5间的接触面积，提高电学输出和增大能量利用效率。
所述两个独立的第二金属电极5，固定在支撑平台6上，两个金属电极的间距约1cm。作为可以选择的实施方式，本实施例所述第二金属电极5为两片完全相同的10*12cm的铝胶带。
所述支撑平台6主要起到支撑作用，应满足一定的刚度要求，材料来源较为广泛，作为可以选择的实施方式，本实施例采用厚度0.5cm的透明亚克力板。
所述双刺激自驱动智能执行器工作时，目标物体1应置于PDMS薄膜材料2之上。PDMS薄膜材料2被放置在运输平台上，其中被照射的面朝下，目标物体1放在PDMS薄膜材料2上，整个第一组件放置在可通入蒸汽的密闭的盒子里，特别是透明的盒子中；通入乙醇蒸汽PDMS薄膜材料2逐渐卷曲，最终将整个目标物体1包裹住，PDMS薄膜材料2在卷曲包裹目标物体1过程中与下方的隔离层3发生相对滑动和接触分离而带电，滑动第二组件摩擦滑块4，在第一组件的两个第一金属电极之间产生瞬时强电场，在静电场力的作用下驱动PDMS薄膜材料2携带目标物体1一起向前滚动；当停止运动后，打开隔板，乙醇蒸汽迅速扩散开来，PDMS薄膜材料2再次舒展开，卸下目标物体1。
针对上述实施例中第一组件基底、第一组件的第一金属电极、第一组件隔离层、第二组件摩擦滑块、第二组件的第二金属电极可选材料并没有进行穷举，此处仅列举出几种具体的材料供人们参考，但显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制因素，因此在本发明的启示下，本领域的技术人员很容易根据这些材料所具有的特性选择其他类似的材料。
实施例2
本实施例提供一种蒸汽响应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中，匀胶机转速为500r/min，时间为60s，其他操作和条件设置均与实施例1完全相同。本实施例方法制得PDMS薄膜材料的厚度为150μm-200μm。
将本实施例制得的PDMS薄膜材料用于构建一种双刺激自驱动机器人手，可以在蒸汽刺激和静电驱动的双重作用下，完成目标物体的夹持、驱动、移动、卸下等一系列的过程，特别是小重量物体的夹持，而不需要外接电源。
如图8所示，所述双刺激自驱动机器人手结构包括第三组件和第四组件，所述第三组件和第四组件电连接；所述第三组件为夹持装置，所述夹持装置的上半部分的骨架9和下半部分的两个柔性手指10；所述第四组件为独立层模式摩擦纳米发电机或者其他任意结构的摩擦纳米发电机，只要可以为柔性手指的导电薄膜层提供电源即可。
所述夹持装置的材料选择轻质的透明亚克力板材，便于移动和操作。所述骨架9主要起到支撑作用。
所述柔性手指10具有单侧导电性和蒸汽响应的特性，所述柔性手指的结构为智能薄膜材料层和导电薄膜材料层组成的复合层结构，例如为两层PDMS薄膜复合结构，分别为蒸汽响应PDMS薄膜材料层和导电PDMS薄膜材料层，所述蒸汽响应PDMS薄膜材料层和导电PDMS薄膜材料层的尺寸均为20mm*30mm*2mm，两层PDMS薄膜复合结构的总厚度为500μm-3mm，蒸汽响应PDMS薄膜材料层和导电PDMS薄膜材料层的厚度之比为1:1。
所述柔性手指采用如下方法制备得到：
(A)按照质量比10:1取聚二甲基硅氧烷与固化剂(道康宁184)，制得PDMS前驱体；将所述PDMS前驱体均分为两份，取一份PDMS前驱体并加入0.7wt％的导电炭黑，充分混合均匀，制得掺杂炭黑的PDMS前驱体，之后将所述掺杂炭黑的PDMS前驱体均匀旋涂在玻璃基片上，形成导电PDMS薄膜材料层；(B)将另一份未掺杂炭黑的PDMS前驱体均匀旋涂在步骤(A)所述导电PDMS薄膜材料层的上面；(C)将样品置于真空干燥箱中80℃下固化20min，再置于UV/O3清洗仪中照射处理15min，冷却后从玻璃基片上剥离，即得一侧为具有蒸汽响应的PDMS薄膜材料层、一侧为导电PDMS薄膜材料层组成的双层复合层结构。
将按照上述工艺制备的两片完全相同的柔性手指，分别固定在第三组件骨架的两侧，其中掺杂导电炭黑的导电侧(导电PDMS薄膜材料层一侧)朝外侧，相应地，UV/O3处理过的表面(未掺杂导电炭黑的一侧)朝内侧。当通入乙醇蒸汽后，在乙醇蒸汽的驱动下，两个手指同时向外侧弯曲，表现为手指逐渐张开；当滑动第四组件摩擦滑块使两指带有不同种电荷，在静电场力的驱动下，两个手指相互吸引，克服卷曲力，表现为手指重新靠近闭合。
本实施例中的第三组件放置在相对密闭的盒子中，目的是防止乙醇蒸汽快速扩散，影响柔性手指的卷曲效果。
本实施例中提供的第四组件与实施例1中的第二组件结构、尺寸、选材、功能完全一致，这里不再赘述。
所述双刺激自驱动机器人手主要包括三个工作过程，具体为：i、乙醇蒸汽驱动夹持装置的两个柔性手指张开，使两个柔性手指之间的间距大于目标物体11的宽度，这将有助于夹更大的目标物体，该过程响应时间大约为10s；ii、把夹持装置移动到目标物体11附近后，滑动第四组件摩擦滑块，在静电场力的作用下驱动夹持装置的两个柔性手指10闭合，从而夹住目标物体11；iii、移动夹持装置的两个柔性手指10到指定位置后，再次滑动第四组件摩擦滑块到初始位置，静电场力消失，夹持装置的两个柔性手指10重新打开，卸下物体。本实施例中使用的目标物体11为亚克力材料，所能夹起的最大重量为6g。
实施例3
本实施例提供一种蒸汽响应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(3)中，所述样品片置于烘箱中在120℃进行加热处理40min，其他操作和条件设置均与实施例1完全相同。本实施例方法制得PDMS薄膜材料的厚度为1.5mm。
进一步，将本实施例制得的PDMS薄膜材料用于构建一种双刺激自驱动机器人手，与实施例2的区别在于：所述柔性手指的制备方法中，聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5:1，所述导电炭黑的添加质量百分比为0.6％，蒸汽响应PDMS薄膜材料层和导电PDMS薄膜材料层的厚度之比为2:1。
实施例4
本实施例提供一种蒸汽响应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按照质量比5:1称取固体聚二甲基硅氧烷与固化剂(道康宁184)，充分搅拌使其混合均匀，置于真空干燥箱中(或其他可提供真空环境的装置)，之后逐渐抽真空方式使液体体系中气泡浮至表面并破裂，重复上述操作3次，直至体系中气泡全部抽取干净，制得混合液；
(2)取适量步骤(1)制得混合液涂覆于硅片上，设置匀胶机转速为300r/min，时间为120s，重复以上操作两次，得到涂有厚度为2mm材料膜层的样品片；
(3)将所述样品片置于烘箱中在120℃进行加热处理15min，再置于UV/O3清洗机中进行紫外线照射，所述紫外线照射的波长为254nm，所述紫外照射的时间为15min，冷却后从硅片上剥离，即得具有蒸汽响应的PDMS薄膜材料。
进一步，将本实施例制得的PDMS薄膜材料用于构建一种双刺激自驱动机器人手，与实施例2的区别在于：所述柔性手指的制备方法中，聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5:1，所述导电炭黑的添加质量百分比为0.8％，蒸汽响应PDMS薄膜材料层和导电PDMS薄膜材料层的厚度之比为1:2。
实施例5
本实施例提供一种蒸汽响应的聚环甲基硅氧烷薄膜材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，采用固化剂为正硅酸乙酯、二月硅酸二丁基锡、二甲苯、乙苯按照质量比15:1:1:1组成的混合物，其他操作和条件设置均与实施例1完全相同。本实施例方法制得薄膜材料的厚度为1.5mm。
实施例6
本实施例提供一种蒸汽响应的甲基苯基硅氧烷薄膜材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，采用固化剂为正硅酸乙酯、二月硅酸二丁基锡、二甲苯、乙苯按照质量比为10:1:1:1组成的混合物，其他操作和条件设置均与实施例1完全相同。本实施例方法制得薄膜材料的厚度为1.5mm。
实施例7
本实施例提供一种蒸汽响应的甲基乙基硅氧烷薄膜材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，采用固化剂为正硅酸乙酯、二月硅酸二丁基锡、二甲苯、乙苯按照质量比5:1:1:1组成的混合物，其他操作和条件设置均与实施例1完全相同。本实施例方法制得薄膜材料的厚度为1.5mm。
对比例1
本对比例提供一种蒸汽响应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(3)中，置于UV/O3清洗机中利用在波长为185nmnm的紫外线条件下进行紫外线照射5min，其他操作和条件设置均与实施例1完全相同。本实施例方法制得PDMS薄膜材料的厚度为1.5mm。
实验例
将实施例1-3以及对比例1制得的具有蒸汽响应的PDMS薄膜材料进行测试，4个薄膜样品置于乙醇蒸汽氛围中，均表现为向未被紫外线照射的一侧弯曲，不同点在于：与实施例1相比，实施例2所得样品厚度较薄，响应速度快；实施例3所得样品的硬度较大，响应速度慢；对比例1所得样品外观与实施例1样品几乎没有差别，但蒸汽响应较慢，这是由于：对比例1中方法的紫外照射时间比较短，薄膜材料表面化学反应不充分，导致驱动能力不足，响应速度慢。
本发明中，聚硅氧烷主剂可以为二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、甲基乙基硅氧烷中的一种或几种的混合物。
经过本发明的方法制备的蒸汽响应的智能薄膜材料，除了可以对乙醇蒸汽进行响应外，也可以对小分子醇类和酮类，例如甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮等的蒸汽进行响应。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双刺激自驱动机器人手，其特征在于，包括第三组件和第四组件，所述第三组件和第四组件电连接；
所述第三组件为夹持装置，所述夹持装置包括位于上半部的骨架和位于下半部的两个柔性手指，所述柔性手指为由蒸汽响应的智能薄膜材料层和导电薄膜材料层组成的复合层结构；
所述第四组件为摩擦纳米发电机，为所述柔性手指的导电薄膜材料层提供电源，使两个柔性手指在静电作用下张开或者靠近闭合，实现对目标物体的抓取和释放动作；
所述蒸汽响应的智能薄膜材料采用如下方法制备得到：
(1)按照质量比10:1-5:1取聚硅氧烷主剂与固化剂并混合均匀，之后采用抽真空方式排出体系中气泡，制得混合液；所述聚硅氧烷主剂为二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、甲基乙基硅氧烷中的一种或几种的混合物；
(2)将步骤(1)制得混合液涂覆于硅片上，之后对硅片进行匀胶处理，得到涂有材料膜层的样品片；所述材料膜层的厚度为150μm-2mm；
(3)将所述样品片先在80-120℃进行加热处理15-40min，再利用波长为185nm-254nm紫外线照射材料膜层15-30min，冷却后剥离，即得所述蒸汽响应的智能薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，两个所述柔性手指中所述智能薄膜材料层被照射一侧面对面设置，导电薄膜材料层朝外设置；
在蒸汽的驱动下，两个柔性手指同时向外侧弯曲逐渐张开；当摩擦纳米发电机的电极使两个柔性手指带有不同种电荷时，在静电场力的驱动下，两个手指相互吸引，克服卷曲力，使所述柔性手指重新靠近闭合以夹住目标物体。
3.根据权利要求1所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，所述柔性手指结构中，所述智能薄膜材料层与所述导电薄膜材料层的厚度比为1-2:1-2。
4.根据权利要求3所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，所述智能薄膜材料层和导电薄膜材料层组成的复合层结构的总厚度为500μm-3mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，所述导电薄膜材料层为掺杂导电炭黑的聚二甲基硅氧烷。
6.根据权利要求1所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，所述第三组件放置在可通入蒸汽的密闭的盒子里。
7.根据权利要求6所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，所述盒子为透明的盒子。
8.根据权利要求1所述的双刺激自驱动机器人手，其特征在于，所述第四组件为独立层模式摩擦纳米发电机，结构包括由上至下依次设置的摩擦滑块、第二金属电极和支撑平台。
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