CN114519953A - 一种仿生昆虫 - Google Patents

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Abstract

一种仿生昆虫属于仿生机器人领域。本发明通过在二维材料自支撑迈克烯(Ti3C2Tx)薄膜层间梯度填充石蜡(一种高热膨胀率烃链聚合物材料)，利用迈克烯(Ti3C2Tx)和石蜡的极大热膨胀差，直接在材料中构造膨胀差异，使其在光、热信号刺激下产生特定幅度弯曲，摆脱了双层结构的限制，大大提高了驱动器工作效率，从而可应用于仿生昆虫中。薄膜可被氧化石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜等热导性高，具有分层特性的二维材料替代。石蜡材料可以其他存在固液转化或高热膨胀率材料替代，如PDMS、液晶、水凝胶等。

Description

一种仿生昆虫
技术领域
本发明属于仿生机器人领域。
背景技术
柔性驱动器，是指在受到外部环境特定信号刺激(如热能、电能、光能等等)下能够做出响应，产生机械运动的柔性器件。作为仿生机器人中控制其运动的基础零件，柔性驱动器的性能直接决定了仿生机器人行动的能力。
目前，柔性驱动器主要由将热导率高、光热转换率大或电热转化率达的柔性材料，如氧化石墨烯、碳纳米管等材料与热膨胀率高的聚合物、有机物或相变材料复合构成。然而，目前柔性驱动器大部分为双层结构，即将两种材料堆叠，形成上层材料吸收热能或将其它能源转化成热能，但几乎不产生热膨胀，下层材料吸收上层材料的热能产生较大膨胀，形成膨胀差，从而产生定向弯曲的机制。然而这种制备方式不仅增加了驱动器的总体体积，而且导致了驱动器整体的传热效率降低，热敏程度低，无法满足高性能驱动器的要求。因此，这些驱动器并不适合适用于仿生机器人中。
发明内容
为了解决目前应用于仿生机器人中的驱动器性能较低的问题，我们将一种新型驱动器应用于仿生昆虫中。我们通过在二维材料自支撑迈克烯(Ti3C2Tx)薄膜层间梯度填充石蜡(一种高热膨胀率烃链聚合物材料)，利用迈克烯(Ti3C2Tx)和石蜡的极大热膨胀差，直接在材料中构造膨胀差异，使其在光、热信号刺激下产生特定幅度弯曲，摆脱了双层结构的限制，大大提高了驱动器工作效率，从而可应用于仿生昆虫中。
本文通过将石蜡梯度填充进入迈克烯(Ti3C2Tx)薄膜中获得高性能驱动器，并应用于仿生昆虫中，从而获得一种新型仿生昆虫中。
(1)利用含有HF的溶液蚀刻制备迈克烯(Ti3C2Tx)溶液。
(2)利用真空抽滤法制造自支撑迈克烯(Ti3C2Tx)薄膜。
(3)利用梯度填充法，在将石蜡从底部逐层填充到迈克烯薄膜层状，使石蜡在迈克烯(Ti3C2Tx)中形成石蜡从底部到中部，由多到少的梯度分布。
(4)在光照下，由于迈克烯(Ti3C2Tx)持续吸收光能并转化为热能，使得分布不均的石蜡产生膨胀，从而使得驱动器产生由石蜡最多的方向至最少方向的特定弯曲。
(5)将驱动器安装于仿生机器人的四足位置，在光照刺激下，驱动器形成弯曲，从而引导仿生昆虫的运动。
一种仿生昆虫，其特征在于，仿生昆虫的制备方法包括以下步骤：
1)利用原位蚀刻法制造迈克烯(Ti3C2Tx)溶液：
将1.6g氟化锂溶解于20mL的浓度为9M的盐酸中，搅拌五分钟；之后加入1gTi3AlC2,在35摄氏度下搅拌24小时；再用去离子水以3500转/分钟洗涤离心，在离心后，使得溶剂pH从强酸性回到6后，收集底部沉淀；将沉淀溶解于100mL水中，在氩气氛围下，超声3小时后再离心一小时，收集上清液为迈克烯溶液；
2)利用真空抽滤法制造迈克烯(Ti3C2Tx)薄膜：
首先取3mL浓度为5mg/mL迈克烯溶液和7mL去离子水混合，加入抽滤装置中，利用孔洞直径大小100nm醋酸纤维滤纸抽滤3个小时；在水分完全抽干后，将带有薄膜的滤纸取下，在热板上以60℃蒸3个小时；
3)利用梯度填充法，在将石蜡从底部逐层填充到迈克烯薄膜层状；
将薄膜用剪刀剪成长度为10mm，宽度为3mm长方形；使其底部均匀浸渍在80℃融化状态下的石蜡中，并停留0.5s；由于重力作用，石蜡会从底部自然在从层状迈克烯薄膜由下至上自然渗透，因此在迈克烯-石蜡复合薄膜中形成渗透梯度；从80℃恢复到冷却到室温后，由于石蜡的热胀冷缩，驱动器会自然从未渗透端压向石蜡渗透完全的一端，形成弯曲；
4)将驱动器安装于仿生机器人的四足位置，利用波长为405-808nm的激光驱动下，且在功率为75mW/cm2-116mW/cm2。驱动器在1-2s产生偏转，驱动器形成弯曲，在激光关闭后，在1-2s恢复正常状态。
可替代方案
技术方案中仿生昆虫可以为利用驱动器的不同形状。
(1)技术方案中提到的MXene(Ti3C2Tx)抽滤薄膜可被氧化石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜等热导性高，具有分层特性的二维材料替代。
(2)技术方案中提到的石蜡材料可以其他存在固液转化或高热膨胀率材料替代，如PDMS、液晶、水凝胶等。
采用上述方法的柔性驱动器具有更大的弯曲幅度以及光敏性和热敏性，可以大幅提高驱动器的性能，从而获得更好的仿生昆虫。
MXene/石蜡复合驱动器的热敏程度为4.6m-1/℃，与表1中其它驱动器相比为最高。
表1.不同种类驱动器的热敏程度比较
驱动器 热敏程度(驱动幅度/温度变化)
MXene/cellulose/PC 1.6m<sup>-1</sup>/℃
PTFE/MXene/PI 0.5m<sup>-1</sup>/℃
RGO-Paper-BOPP 2.6m<sup>-1</sup>/℃
RGO-PDMS 2.8m<sup>-1</sup>/℃
CNT-PDMS 3.2m<sup>-1</sup>/℃
CNT-GO-PDMS 0.9m<sup>-1</sup>/℃
poly/PNIPAM 1.6m<sup>-1</sup>/℃
polymer/Laponite 1.2m<sup>-1</sup>/℃
LCE-PVP 0.8cm<sup>-1</sup>/℃
附图说明
图1.MXene/石蜡柔性驱动器制备示意图
图2.MXene/石蜡柔性驱动器光热驱动示意图
图3.基于MXene/石蜡柔性驱动器的仿生昆虫
图4.左侧，驱动幅度随光功率密度的变化。右侧，光功率对应驱动幅度随温度的变化。
图5.迈克烯/石蜡在红外激光驱动下产生偏转
图6.迈克烯/石蜡在红外激光驱动下产生偏转
图7.驱动器在手指在靠近和远离时做出对应的伸展和收缩
图8.将驱动器安装在仿生蝴蝶的下翅，可在光信号刺激下弯曲
具体实施方式
1.利用含有HF的溶液蚀刻制备MXene(Ti3C2Tx)溶液。将1.6g氟化锂溶解于20mL的浓度为9M的盐酸中，搅拌五分钟。之后加入1g MAX(Ti3AlC2),在35摄氏度下搅拌24小时。再用去离子水以3500转/分钟洗涤离心，在离心6次(每次5分钟)后，使得溶剂pH从强酸性回到6后，收集底部沉淀。将沉淀溶解于100mL水中，在氩气氛围下，超声3小时。最后再以3500转/分钟离心一小时，收集上清液。
2.利用真空抽滤法制造MXene(Ti3C2Tx)薄膜。首先取3mL MXene(5mg/mL)溶液和7mL去离子水混合，加入抽滤装置中，利用醋酸纤维滤纸(孔洞在100nm左右)抽滤3个小时。在水分完全抽干后，将带有薄膜的滤纸取下，在热板上以60℃蒸干(3个小时)。
3.利用梯度填充法，在将石蜡从底部逐层填充到MXene薄膜层状中部。将MXene薄膜用剪刀剪成长度为10mm，宽度为3mm的长方形。使其底部均匀浸渍在80℃融化状态下的石蜡中，并停留0.5s。由于重力作用，石蜡会从底部自然在从层状迈克烯薄膜由下至上自然渗透，因此在MXene-石蜡复合薄膜中形成渗透梯度。在从加热状态(80℃)恢复到冷却状态(室内温度25℃)后，由于石蜡的热胀冷缩，驱动器会自然从未渗透端压向石蜡渗透完全的一端，形成90°左右的弯曲。
驱动器可对红外光产生响应，且对不同波长光敏感性不同。如图4所示，利用波长为808nm的红外激光驱动下，驱动器在1.2s产生120°偏转，在激光关闭后，在1s恢复正常状态。如图5所示，驱动器可利用多波长激光激发，且具有光谱选择性。在波长532nm波长的激光激发下，驱动器可在70mW/cm2达到最大弯曲角度，而808nm波长和405nm波长则分别需要波长为75mW/cm2和116mW/cm2。
由于MXene/石蜡驱动器具有较高的热敏性，可以利用人体产生的热辐射驱动驱动器。利用手指非接触性质地靠近和远离驱动器，驱动器可以做出伸展和收缩运动，从而向前爬行。因此驱动器适合用于制造仿生昆虫的四足。
在将翅膀形状的驱动器安装在塑料仿生蝴蝶上后，可使得驱动器在光信号刺激下弯曲，我们驱动驱动器所用可控制仿生昆虫的行动。我们所使用的激发光波长为808nm，光功率为300mW/cm2。

Claims (3)

1.一种仿生昆虫，其特征在于，仿生昆虫的制备方法包括以下步骤：
1)利用原位蚀刻法制造迈克烯溶液：
将1.6g氟化锂溶解于20mL的浓度为9M的盐酸中，搅拌五分钟；之后加入1g Ti3AlC2,在35摄氏度下搅拌24小时；再用去离子水以3500转/分钟洗涤离心，在离心后，使得溶剂pH从强酸性回到6后，收集底部沉淀；将沉淀溶解于100mL水中，在氩气氛围下，超声3小时后再离心一小时，收集上清液为迈克烯溶液；
2)利用真空抽滤法制造迈克烯(Ti3C2Tx)薄膜：
首先取3mL浓度为5mg/mL迈克烯溶液和7mL去离子水混合，加入抽滤装置中，利用孔洞直径大小100nm醋酸纤维滤纸抽滤3个小时；在水分完全抽干后，将带有薄膜的滤纸取下，在热板上以60℃蒸3个小时；
3)利用梯度填充法，在将石蜡从底部逐层填充到迈克烯薄膜层状；
将薄膜用剪刀剪成长度为10mm，宽度为3mm长方形；使其底部均匀浸渍在80℃融化状态下的石蜡中，并停留0.5s；由于重力作用，石蜡会从底部自然在从层状迈克烯薄膜由下至上自然渗透，因此在迈克烯-石蜡复合薄膜中形成渗透梯度；从80℃恢复到冷却到室温后，由于石蜡的热胀冷缩，驱动器会自然从未渗透端压向石蜡渗透完全的一端，形成弯曲；
4)将驱动器安装于仿生机器人的四足位置，利用波长为405-808nm的激光驱动下，且在功率为75mW/cm2-116 mW/cm2。驱动器在1-2s产生偏转，驱动器形成弯曲，在激光关闭后，在1-2s恢复正常状态。
2.根据权利要求1所述的一种仿生昆虫，其特征在于：Ti3C2Tx薄膜被氧化石墨烯薄膜或碳纳米管薄膜替代。
3.根据权利要求1所述的一种仿生昆虫，石蜡被PDMS、液晶或水凝胶替代。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115806293B (zh) * 2022-12-02 2024-06-04 盐城工学院 一种利用超声-抽滤法制作碳化钛水凝胶薄膜的方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106943147A (zh) * 2017-05-09 2017-07-14 南京工业大学 一种具有形状记忆功能的纤维状应变传感器及其制备方法和应用
US20180086893A1 (en) * 2017-02-13 2018-03-29 University Of Electronic Science And Technology Of China Carbon material-polymer strain sensitive film and its preparation method
US20180251649A1 (en) * 2015-11-30 2018-09-06 President And Fellows Of Harvard College Hydrogel composite ink formulation and method of 4d printing a hydrogel composite structure
CN108896219A (zh) * 2018-07-06 2018-11-27 清华大学 柔性仿生电子皮肤及其制备方法
CN109921679A (zh) * 2019-03-08 2019-06-21 吉林大学 一种具备实时反馈功能的仿生柔性致动器及其制备方法
CN110628058A (zh) * 2019-08-15 2019-12-31 陕西科技大学 一种导电超疏水碳纳米管/聚合物柔性薄膜的制备方法
CN111805527A (zh) * 2019-04-12 2020-10-23 天津大学 球状体自发电场驱动智能材料软体机器人及其制备方法
CN112147724A (zh) * 2020-08-28 2020-12-29 国家纳米科学中心 基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法
CN113896199A (zh) * 2021-11-23 2022-01-07 徐州纳烯新材料研究院有限公司 一种原位刻蚀制备MXene二维纳米片的方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180251649A1 (en) * 2015-11-30 2018-09-06 President And Fellows Of Harvard College Hydrogel composite ink formulation and method of 4d printing a hydrogel composite structure
US20180086893A1 (en) * 2017-02-13 2018-03-29 University Of Electronic Science And Technology Of China Carbon material-polymer strain sensitive film and its preparation method
CN106943147A (zh) * 2017-05-09 2017-07-14 南京工业大学 一种具有形状记忆功能的纤维状应变传感器及其制备方法和应用
CN108896219A (zh) * 2018-07-06 2018-11-27 清华大学 柔性仿生电子皮肤及其制备方法
CN109921679A (zh) * 2019-03-08 2019-06-21 吉林大学 一种具备实时反馈功能的仿生柔性致动器及其制备方法
CN111805527A (zh) * 2019-04-12 2020-10-23 天津大学 球状体自发电场驱动智能材料软体机器人及其制备方法
CN110628058A (zh) * 2019-08-15 2019-12-31 陕西科技大学 一种导电超疏水碳纳米管/聚合物柔性薄膜的制备方法
CN112147724A (zh) * 2020-08-28 2020-12-29 国家纳米科学中心 基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法
CN113896199A (zh) * 2021-11-23 2022-01-07 徐州纳烯新材料研究院有限公司 一种原位刻蚀制备MXene二维纳米片的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOHAMED ALHABEB等: "《Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene)》", CHEMISTRY OF MATERIALS, pages 7633 - 7644 *
XIAO XIAO, HE MA, AND XINPING ZHANG: "《Flexible Photodriven Actuator Based on Gradient−Paraffin-Wax-Filled Ti3C2Tx MXene Film for Bionic Robots》", ACS NANO, pages 12826 - 12835 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115806293B (zh) * 2022-12-02 2024-06-04 盐城工学院 一种利用超声-抽滤法制作碳化钛水凝胶薄膜的方法

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