CN114932690B - 一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，属于柔性机器人领域。所述方法为：将液晶单体、交联剂、链延展剂共混，制备液晶弹性体齐聚物；将上述材料加入3D打印机料筒中；将单片机、加热单元与电池连接好，放在3D打印机的打印平台的预定位置上；所述单片机为矩形，底部设置有电池，四角连接有四个加热单元；将液晶弹性体齐聚物直接打印到加热单元上，并使其固化；对固化后的液晶弹性体周边打印硅酮封装胶，将液晶弹性体与加热单元封装；封装胶固化后，取下整体的单元结构，即得到基于液晶弹性体的跨介质软机器人。本发明柔性机器人可在多种介质中运动；可通过电池供电，无需电缆。

Description

一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法
技术领域
本发明属于柔性机器人领域，具体涉及一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法。
背景技术
自从被发现以来，人们对双向形状记忆聚合物开展了丰富的研究。双向形状记忆聚合物具有质量轻，在转变温度下可产生可逆形变等特点，使其在航空航天，医学，生物等领域展现出了各种各样的应用。与此同时，双向形状记忆聚合物在多功能材料研究以及基础科学研究上获得了人们广泛的关注。在所有双向形状记忆聚合物中，液晶弹性体具有十分稳定的热力学特征，使其成为理想的双向形状记忆材料。然而，目前在液晶弹性体的制备方法中，液晶弹性体具有较大的形变量，但大部分液晶弹性体的都无法被固定在热源上，产生稳定可靠的可逆形变过程。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的液晶弹性体可逆变形过程不稳定的问题，提供一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，所述方法具体为：
步骤一：将液晶单体、交联剂、链延展剂共混，制备液晶弹性体齐聚物；
步骤二：将上述材料加入3D打印机料筒中；
步骤三：将单片机、加热单元与电池连接好，放在3D打印机的打印平台的预定位置上；所述单片机为矩形，底部设置有电池，四角连接有四个加热单元；
步骤四：通过软件设置，将液晶弹性体齐聚物直接打印到加热单元上，并通过进紫外光照射的方式使其固化；
步骤五：对固化后的液晶弹性体周边打印硅酮封装胶，将液晶弹性体与加热单元封装；
步骤六：在封装胶固化后，取下整体的单元结构，即可得到基于液晶弹性体的跨介质软机器人。
进一步地，步骤一中，所述液晶单体为RM82、RM257或RM021中的一种；交联剂采用异氰脲酸三烯丙酯，链延展剂采用1，8-辛二硫醇；所述液晶单体、交联剂、链延展剂三者的质量比为5-20：1-6：2-10。
进一步地，步骤二中，所述料筒打印温度为50～80℃。
进一步地，步骤三中，单片机采用聚酰亚胺作为柔性基板；单片机上面含有四个开关，通过红外遥控分别来控制四个加热单元的通电与断电(即加热单元采用并联的方式与单片机连接，每个加热单元均有独立的温控开关)；单片机的输出电压与输入电压相同；加热单元为聚酰亚胺加热膜，额定电压为3.7V，功率5W。单片机中的聚酰亚胺基板是承载作为控制电路的继电器、红外传感器等模块，与这几个东西一块组成单片机。加热单元中的聚酰亚胺加热膜是和加热电阻一块构成加热单元。普通的加热电阻是金属电阻丝，是成蛇形排列散开的，没有办法承载其他东西，因为电阻丝很细很薄，很容易散开。将电阻丝固化在聚酰亚胺薄膜内部，构成一个完整的加热单元，可以去承载东西。加热单元进一步与液晶弹性体构成了机器人的四条腿。
进一步地，步骤三中，所述单片机的额定电压为3.7～12V。
进一步地，步骤三中，所述电池为锂离子电池，额定电压为3.7～12V，容量为200～1000mAh，功率为6～10W。
进一步地，步骤三中，单片机与电池为串联，电池通过耐高温胶固定在单片机的下方，通过热插拔插销，直接将电池与单片机进行连接与拆卸。当电池与单片机连接后，通过红外遥控器，即可对每个加热膜分别进行选择性的加热。
一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，所述方法具体为：
步骤一：将液晶单体、交联剂、链延展剂共混，制备液晶弹性体齐聚物；
步骤二：将上述材料加入3D打印机料筒中；
步骤三：将单片机与电池连接好，放在3D打印机的打印平台的预定位置上；所述单片机为矩形，底部设置有电池；
步骤四：在单片机的四角先打印一层液晶弹性体，再打印一层导电加热丝，再打印多层液晶弹性体，通过紫外光照射的方式使液晶弹性体固化，即得到基于液晶弹性体的跨介质软机器人。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
(1)可直接通过3D打印机将驱动部位材料与电子零件结合，一步到位，不用其他步骤；所述电子零件包括：电池、电容、电阻、传感器、导线、二极管、开关等。本发明的打印材料无需真空处理，方式简单，降低材料制备的复杂性；打印过程所需要的打印温度更低，更容易实现；可以一次性的将电子零件与液晶弹性体结合，无需复杂的后处理过程，直接制备出具有功能性的机器人；
(2)本发明通过设计不同的加热膜结构，如圆形、多边形可规范机器人的整体结构。通过设计不同的材料打印路径规范机器人的变形模式，结合二者即可设计出具有不同变形能力的机器人。
(3)本发明对于原料用量配比的限定既可以保证链延展剂与液晶单体完全反应，又可以保证齐聚物具有一定的流动性，方便打印。不在本发明范围内可能导致齐聚物没有流动性无法被打印，或打印出的材料无法产生可逆形变。
(3)跨介质软机器人可在多种介质中运动；
(4)跨介质软机器人可通过电池供电，无需电缆；
(5)跨介质软机器人具备进一步的改装功能。
附图说明
图1为实施例1制备的液晶弹性体柔性机器人结构图；
图2为实施例1制备的液晶弹性体柔性机器人向右前方运动示意图；
图3为实施例1制备的液晶弹性体柔性机器人向左前方运动示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明的创新点为：1.一体法通过3D打印技术制备柔性机器人；2.柔性机器人的重量轻，可以在不同地形运动；3.柔性机器人可以在不同介质中运动，如水、油。
现有技术中液晶弹性体在变形时，因为热源是没有变形能力的，因此二者会分离。本发明通过引入硅酮胶材料，将液晶弹性体固定在热源上，使二者可以同时变形。与此同时，本发明也可以直接通过打印技术打印出加热丝。无需利用聚酰亚胺加热膜以及硅酮胶，本发明可通过打印技术先打印出单层的液晶弹性体，再在其基础之上打印导电加热丝，最后再打印多层液晶弹性体，直接构建具有可逆变形能力的液晶弹性体驱动器。
本发明制备的机器人可以通过将电子零件放置在打印台上，通过4D将材料直接打印到预定位置，构建多功能机器人，无需其他处理方式，并且该机器人重量轻，仅重8g，速度快，可达到3cm/min，且可以远程操控。同时可以通过向机器人上面加装特定零件，如摄像头及温度传感器，进一步改装出具有复杂功能可以处理多种任务的可远程操控机器人。
实施例1：
一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，包括以下步骤：
(1)将液晶单体、交联剂、链延展剂共混，制备液晶弹性体齐聚物；液晶单体采用RM82，交联剂采用异氰脲酸三烯丙酯，链延展剂采用1，8-辛二硫醇；异氰脲酸三烯丙酯中的乙烯基团保证了齐聚物可以通过光固化进一步交联形成液晶弹性体。没有该材料聚合物无法成型；1，8-辛二硫醇的链长较长，使得齐聚物的分子链更长，进而减少了材料相变中的位阻，降低了液晶弹性体的转变温度；而较低的转变温度使得材料可以很容易的产生可逆形变；基于以上的原料限定，本实施例获得的材料具有更低的打印温度，以及更好的可逆形变能力；
(2)将上述材料加入3D打印机料筒中，料筒温度设置为50℃；
(3)将单片机、加热单元与电池连接好，放在3D打印机的打印平台的预定位置上；单片机长宽均为4cm，厚度为1mm，采用聚酰亚胺作为柔性基板，额定电压为3.7V；单片机上面含有四个开关，可以通过红外遥控来控制加热单元的通电与断电；单片机的输出电压与输入电压相同；电池使用额定电压为3.7V的锂电池，容量为200mAh；加热单元为长6cm，宽7mm，厚0.1mm的聚酰亚胺加热膜，额定电压为3.7V，功率5W；
(4)通过软件设置，将液晶弹性体齐聚物直接打印到加热单元上，并通过365nm紫外光照射的方式使其固化；
(5)对固化后的液晶弹性体周边打印硅酮封装胶，将液晶弹性体与加热单元封装；
(6)在封装胶固化后，取下整体的单元结构，即可得到基于液晶弹性体的跨介质软机器人。
将上述制备方法制得的跨介质软机器人，用于移动时包括以下步骤：
(1)将所述跨介质软机器人放在指定平面上通过红外遥控器控制单片机信号，使加热膜通电。此时液晶弹性体弯曲。若控制加热膜断电，则液晶弹性体回复到初始形状。通过对不同的液晶弹性体柔性驱动器单元进行反复通电驱动来达到驱动跨介质软机器人运动的目的；
(2)机器人的整体重量在15g以内，在平面上的爬行速度为每分钟20mm-100mm。
(3)通过对机器人外表涂抹防水材料，机器人在水中运动的速度为每分钟2mm-50mm。
实施例2：
本实施例与实施例1不同指出在于，所述的液晶单体为RM257，料桶打印温度为60℃，单片机额定电压为12V，电池使用额定电压为12V的锂离子电池，电池容量为1000mAh，功率为10W。机器人在平面上的爬行速度为每分钟100-300mm，机器人在水中的运动速度为每分钟50-100mm。
实施例3：
本实施例与实施例1不同指出在于，所述的液晶单体为RM021，料桶打印温度为70℃，单片机额定电压为5V，电池使用额定电压为5V的锂离子电池，功率为6W。机器人在平面上的爬行速度为每分钟40-120mm，机器人在水中的运动速度为每分钟8-60mm。
实施例4：
本实施例与实施例1不同指出在于，料桶打印温度为80℃，单片机额定电压为5V，电池使用额定电压为5V的锂离子电池，功率为6W。机器人在平面上的爬行速度为每分钟40-120mm，机器人在石油中的爬行速度为每分钟1mm-30mm。
实施例5：
本实施例与实施例1不同指出在于，料桶打印温度为80℃，单片机额定电压为6V，电池使用额定电压为6V的锂离子电池，功率为8W。机器人在平面上的爬行速度为每分钟40-150mm，机器人在甘油中的爬行速度为每分钟2mm-30mm。

Claims (8)

1.一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：所述方法具体为：
步骤一：将液晶单体、交联剂、链延展剂共混，制备液晶弹性体齐聚物；
步骤二：将上述材料加入3D打印机料筒中；
步骤三：将单片机、加热单元与电池连接好，放在3D打印机的打印平台的预定位置上；所述单片机为矩形，底部设置有电池，四角连接有四个加热单元；
步骤四：将液晶弹性体齐聚物直接打印到加热单元上，并通过紫外光照射的方式使其固化；
步骤五：对固化后的液晶弹性体周边打印硅酮封装胶，将液晶弹性体与加热单元封装；
步骤六：在封装胶固化后，取下整体的单元结构，即得到基于液晶弹性体的跨介质软机器人。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述液晶单体为RM82、RM257或RM021中的一种；交联剂采用异氰脲酸三烯丙酯，链延展剂采用1，8-辛二硫醇；所述液晶单体、交联剂、链延展剂三者的质量比为5-20：1-6：2-10。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述料筒打印温度为50～80℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：步骤三中，单片机采用聚酰亚胺作为柔性基板；单片机上面含有四个开关，通过红外遥控分别来控制四个加热单元的通电与断电；单片机的输出电压与输入电压相同；加热单元为聚酰亚胺加热膜，额定电压为3.7V，功率5W。
5.根据权利要求4所述的一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述单片机的额定电压为3.7～12V。
6.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述电池为锂离子电池，额定电压为3.7～12V，容量为200～1000mAh，功率为6～10W。
7.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：步骤三中，单片机与电池为串联，电池通过耐高温胶固定在单片机的下方，通过热插拔插销，直接将电池与单片机进行连接与拆卸。
8.一种基于液晶弹性体的跨介质软机器人的制备方法，其特征在于：所述方法具体为：
步骤一：将液晶单体、交联剂、链延展剂共混，制备液晶弹性体齐聚物；
步骤二：将上述材料加入3D打印机料筒中；
步骤三：将单片机与电池连接好，放在3D打印机的打印平台的预定位置上；所述单片机为矩形，底部设置有电池；
步骤四：在单片机的四角先打印一层液晶弹性体，再打印一层导电加热丝，再打印多层液晶弹性体，通过紫外光照射的方式使液晶弹性体固化，即得到基于液晶弹性体的跨介质软机器人。
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