CN114962196A - 一种可实现复杂运动的驱动器及其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现复杂运动的驱动器及其制备方法及应用，属于驱动器技术领域；驱动器由具有一定形状的氧化石墨烯薄膜组成，所述氧化石墨烯薄膜内通过氧化石墨烯纳米片多层堆叠形成量子限域超流体通道；在湿度条件和外力作用下将氧化石墨烯薄膜固定成一特定形状，保持所述的特定形状，之后去除湿度和外力，使特定形状被保持形成驱动器；驱动器可在湿度驱动方面以及制备机器人方面得到应用；本发明所述的驱动器具有湿度响应能力，可实现复杂运动；同时也克服了传统双层结构驱动器层间结合力弱的问题，提高了器件的稳定性。

Description

一种可实现复杂运动的驱动器及其制备方法及应用
技术领域
本发明属于驱动器技术领域，涉及一种利用量子限域超流体效应实现复杂运动的驱动器及其制备方法及应用。
背景技术
驱动器是微机械系统、智能机器人的核心组件。其中双层结构型驱动器应用最为广泛，其基本原理是将智能材料与惰性材料相结合，形成刺激响应的双层结构。当外界环境刺激（湿度、光、电、温度、pH等）时，两种材料会发生不同程度的响应，界面处的应变失配就会导致朝向惰性材料一侧的弯曲形变，通过设计便可以实现折叠、抓取、运动等驱动效果。但是双层结构型驱动器存在层间结合力弱的问题，会降低器件的稳定性。除此之外，为了使驱动器得到更好地应用，驱动器只能实现简单的弯曲形变是远远不够的，还必须能实现复杂运动。然而，现有的驱动器要么只实现了复杂形变，要么只摆脱了双层结构从而提高稳定性，无法同时满足这两个条件，从而极大的限制了驱动器的实际应用。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种可实现复杂运动的驱动器及其制备方法及应用。所制备的驱动器具有湿度响应的能力，可实现复杂运动；同时也克服了传统双层结构驱动器层间结合力弱的问题，提高了器件的稳定性。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种可实现复杂运动的驱动器，由具有一定形状的氧化石墨烯薄膜组成，所述氧化石墨烯薄膜内通过氧化石墨烯纳米片多层堆叠形成量子限域超流体通道。
优选的，所述氧化石墨烯薄膜是通过氧化石墨烯溶液抽滤形成。
优选的，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为8-12μm。
一种可实现复杂运动的驱动器的制备方法，在湿度条件和外力作用下将氧化石墨烯薄膜固定成一特定形状，保持所述的特定形状，之后去除湿度和外力，使所述的特定形状被保持。
优选的，所述的氧化石墨烯薄膜的制备方法是将氧化石墨烯溶液进行真空抽滤。
更优的，所述氧化石墨烯溶液的制备方法是先将NaNO3、石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾混合搅拌，再加入过氧化氢继续搅拌，之后经过沉降、稀释、离心得到氧化石墨烯溶液。
更优的，所述的真空抽滤使用的滤膜为水系滤膜，抽滤时间为4-8h。
优选的，所述的湿度条件为80%-100%RH，保持时间为1-2h。
优选的，所述的特定形状为弯曲形、螺旋形、S形中的一种。
一种可实现复杂运动的驱动器在湿度驱动方面以及制备机器人方面的应用。
本发明所述的制备原理为：
本发明将氧化石墨烯溶液抽滤成膜，在成膜过程中由于水分子的蒸发，氧化石墨烯纳米片层层堆叠构建了量子限域超流体通道。将干燥的氧化石墨烯薄膜放入湿度条件下，通过引入外力将其固定成任意的复杂形状，保持一段时间后去除外力和湿度，这一复杂形状便被保持下来。再次施加湿度刺激时，该具有复杂形状的氧化石墨烯薄膜会发生朝向平直状态的形变，且该过程是可逆的，这样便实现了湿度驱动。
其可以实现复杂运动的原理是，在湿度条件下，水分子的吸附会造成氧化石墨烯纳米片之间层间距增大，原有的氢键网络被破坏，片层之间的滑移变得更加容易。外力的引入会使得氧化石墨烯纳米片进行重排，受到拉伸力的纳米片的排布会变得更加平滑，受到压缩力的位置会出现一些纳米褶皱，从而诱导非对称量子限域超流体通道的形成。去除外力和湿度后，由于氢键网络的恢复导致片层之间摩擦力增大，从而该非对称的量子限域超流体通道网络便被保持下来。当再次施加湿度刺激时，由于水分子在量子限域超流体通道中的超快传输以及非对称的溶胀效应，该具有复杂形状的氧化石墨烯驱动器便会朝着平直的状态发生驱动。通过设计被固定的形状，便可以实现各种复杂运动的驱动。除此之外，该驱动器是基于氧化石墨烯这一种材料体系，解决了传统双层结构中由于两种材料间层间结合力弱、粘附性差所带来的器件稳定性差的问题。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明利用在湿度和外力条件下氧化石墨烯纳米片的重组以及薄膜内部量子限域超流体通道的非对称排布，实现了对氧化石墨烯薄膜复杂形变的定型，并进一步实现了各种复杂运动驱动，提高了氧化石墨烯驱动器的灵活性。
本发明利用氧化石墨烯薄膜内部非对称的量子限域超流体通道对湿度响应的差异性来实现湿度驱动，摆脱了传统双层结构的束缚，避免了由于不同种材料层间结合力弱所带来的问题，大大提高了器件的稳定性。
附图说明
图1是本发明所述的氧化石墨烯薄膜定型与湿度驱动示意图。
图2是本发明的氧化石墨烯薄膜定型前、后横截面扫描电镜图。
图3是本发明的具有各种复杂形变的氧化石墨烯驱动器。
图4是本发明的利用具有复杂形变的氧化石墨烯驱动器制备的爬行机器人在0-15s的运动图。
图5是本发明的利用具有复杂形变的氧化石墨烯驱动器制备的旋转机器人在0-56s的运动图。
图6是本发明的利用具有复杂形变的氧化石墨烯驱动器制备的翻转机器人在0-20s的运动图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
利用量子限域超流体效应制备可实现复杂运动的驱动器的方法，具体步骤如下：
（1）、氧化石墨烯薄膜的制备
具体步骤为：取氧化石墨烯溶液进行真空抽滤。然后，从滤膜上将氧化石墨烯薄膜揭下来。滤膜为商用水系滤膜，孔径0.22μm，所抽滤的氧化石墨烯溶液的量为6-10mL，浓度为4-8mg/mL，抽滤时间为4-8h，得到的氧化石墨烯薄膜的厚度为8-12μm。
具体的，对于氧化石墨烯溶液的制备方法为：
首先，将NaNO3和石墨粉按照质量比为1:1-1:4在冰浴条件0-3℃下混合、加入90-120mL浓硫酸（质量浓度98%）；然后，加入7-15g高锰酸钾，保持冰浴条件（0-5℃）并以800-1000r/min的转速搅拌60-110min；随后，将混合物依次升温至35-40℃和90-95℃，在这两个温度点搅拌保温并注入去离子水，保温时间分别为2-3h和15-20min，注入去离子水量依次为80-90和200-250mL，所用注水时间分别为30-40min和5-10min，保持搅拌转速为800-1000r/min；再加入10-12mL过氧化氢（体积浓度为30%），关掉加热并继续搅拌12-20min，然后使其沉降18-30h；沉降完毕后倒掉上层清液，用去离子水稀释酸性产物，并以8000-15000r/min的转速离心12-18min，重复15-20次，直至上层清液pH值为6-7；最后，将产物悬浊液以1000-1500r/min的转速离心10-20min，重复3-5次，直至无肉眼可见的黑色石墨颗粒，即得到浓度为4-8mg/mL的氧化石墨烯溶液。
（2）、氧化石墨烯薄膜的定型与驱动
具体步骤为：首先将氧化石墨烯薄膜切成条带；然后，在湿度条件下，通过施加外力将该氧化石墨烯条带固定成某一特定形状；例如弯曲形状或者螺旋形状或者S形状等，保持这个状态一段时间后，去除湿度和外力，该特定形状便会被保持下来。当再次施加湿度刺激时，该具有特定形状的氧化石墨烯条带会趋于变直；去除湿度后又会回到特定形状，从而实现湿度驱动。
具体的，湿度条件为80%-100%RH，保持时间为1-2h；所用外力大小根据所需要固定的形状进行调整，不需太大，只要能使得薄膜固定成所需形状即可。
（3）、驱动器的复杂运动
具体步骤为：根据所需要实现的复杂运动，将氧化石墨烯条带定型成不同的复杂形状，得到所需的能够实现复杂运动的驱动器。复杂形状根据需要进行设计，例如弯曲、螺旋、S型等。
本发明还提供了利用量子限域超流体效应制备可实现复杂运动的驱动器的方法在机器人方面的应用，即利用可实现复杂运动的氧化石墨烯驱动器作为机器人的“腿”，通过湿度驱动，实现爬行、旋转、翻转等复杂运动。
图1为可实现复杂运动的氧化石墨烯驱动器的制备流程图，主要分为定型过程和湿度驱动过程。其中定型过程包括：在湿度条件下借助外力将氧化石墨烯薄膜固定成某一特定形状，并保持一段时间；去除外力和湿度后，该特定形状被保持下来。湿度驱动过程包括：当再次施加湿度刺激时，氧化石墨烯驱动器趋于变平直；去除湿度刺激后，该驱动器又变回特定形状。
图2为氧化石墨烯薄膜定型前后的横截面电镜图。通过定型前后的对比可以看到，外力干预后，受到拉伸力的位置纳米片的排布会变得更加平滑，受到压缩力的位置会出现一些纳米褶皱，从而诱导非对称量子限域超流体通道的形成。非对称的量子限域超流体通道会导致水分子吸附容量的差异，因此可以用来实现湿度驱动。
图3为利用本发明提供的方法制备的具有各种复杂形变的氧化石墨烯驱动器。可以看到在湿度刺激下，根据不同的定型形状，可以实现不同的复杂运动。
图4为利用具有弯曲形状的氧化石墨烯驱动器制备的爬行机器人。为了实现向一侧的爬行，两边的氧化石墨烯驱动器具有不同的弯曲曲率。从图中可以看到，在周期性的湿度刺激下，氧化石墨烯驱动器经过多次变直-弯曲，在15s内向前爬行了1cm。
图5为利用具有螺旋形状的氧化石墨烯驱动器制备的旋转机器人。组装时，两个螺旋型氧化石墨烯驱动器呈中心对称进行组装。从图中可以看到，在周期性的湿度刺激下，氧化石墨烯驱动器经过多次变直-螺旋，在56s内旋转了210°。
图6为利用具有螺旋形状的氧化石墨烯驱动器制备的翻转机器人。组装时，两个螺旋型氧化石墨烯驱动器呈轴对称进行组装。从图中可以看到，在周期性的湿度刺激下，氧化石墨烯驱动器经过一次变直-螺旋，在20s内实现了翻转动作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种可实现复杂运动的驱动器，其特征在于，由具有一定形状的氧化石墨烯薄膜组成，所述氧化石墨烯薄膜内通过氧化石墨烯纳米片多层堆叠形成量子限域超流体通道。
2.根据权利要求1所述的一种可实现复杂运动的驱动器，其特征在于，所述氧化石墨烯薄膜是通过氧化石墨烯溶液抽滤形成。
3.根据权利要求1所述的一种可实现复杂运动的驱动器，其特征在于，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为8-12μm。
4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述的可实现复杂运动的驱动器的方法，其特征在于，在湿度条件和外力作用下将氧化石墨烯薄膜固定成一特定形状，保持所述的特定形状，之后去除湿度和外力，使所述的特定形状被保持。
5.根据权利要求4所述的一种可实现复杂运动的驱动器的制备方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯薄膜的制备方法是将氧化石墨烯溶液进行真空抽滤。
6.根据权利要求5所述的一种可实现复杂运动的驱动器的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的制备方法是先将NaNO3、石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾混合搅拌，再加入过氧化氢继续搅拌，之后经过沉降、稀释、离心得到氧化石墨烯溶液。
7.根据权利要求5所述的一种可实现复杂运动的驱动器的制备方法，其特征在于，所述的真空抽滤使用的滤膜为水系滤膜，抽滤时间为4-8h。
8.根据权利要求4所述的一种可实现复杂运动的驱动器的制备方法，其特征在于，所述的湿度条件为80%-100%RH，保持时间为1-2h。
9.根据权利要求4所述的一种可实现复杂运动的驱动器的制备方法，其特征在于，所述的特定形状为弯曲形、螺旋形、S形中的一种。
10.如权利要求1-3任意一项所述的一种可实现复杂运动的驱动器在湿度驱动方面以及制备机器人方面的应用。
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