CN117758518A - 一种自传感材料及其制备方法和在人工肌肉纤维中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自传感材料及其制备方法和在人工肌肉纤维中的应用，属于柔性驱动器技术领域。所述自传感材料的结构由内到外依次为螺旋状绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维、聚多巴胺层和导电应变传感层；所述螺旋状绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维、聚多巴胺层和导电应变传感层为同轴结构。本发明制备的自传感材料自传感信号精度高、线性相关性强、循环稳定性好。该自传感材料可用于制备人工肌肉纤维，能够在不同的电压下表现出不同的收缩量，且随着电压的增加收缩量线性增加，通过相对电阻变化的信号，不需要传感器便可以时刻监测人工肌肉纤维的运动位置与过程。
Description
技术领域
本发明属于柔性驱动器技术领域，具体涉及一种自传感材料及其制备方法和在人工肌肉纤维中的应用。
背景技术
哺乳动物骨骼肌可以通过收缩和舒张来支配骨骼，从而驱动关节运动，并通过肌梭本体感受器进行实时感知信号反馈。受哺乳动物骨骼肌的启发，人们正在不断努力地开发具有自传感功能的类肌肉材料并探索其在软机器人、生物医学工程和仿生设备等领域的应用。在已开发的类肌肉材料中，人工肌肉纤维最近引起了广泛的关注，因为它们能够提供高能量密度的可逆收缩驱动行程，而且可以被集束用于高驱动力场景，但是目前开发的高性能人工肌肉纤维缺乏自传感功能。
人工肌肉纤维的自传感功能对于实时监测其运动状态非常重要。一些薄膜状驱动器通过多层结构叠加实现了自传感功能。由于纤维状人工肌肉结构的复杂性，具有自传感功能的人工肌纤维的发展仍然具有挑战性。最近，通过热拉伸工艺开发的聚合物与银纳米线复合的人工肌肉纤维实现了环境温度变化下的自传感功能。然而，自传感不能在焦耳热刺激下实现，限制了其实际应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种自传感材料及其制备方法和在人工肌肉纤维中的应用。
本发明通过构筑同轴结构将传感层粘附到驱动层上使驱动和传感单元同步工作实现驱动过程中自传感功能。结构设计中，利用具有大热膨胀系数的绝缘聚合物(如聚二甲基硅氧烷等)窄带包裹碳纳米管纤维后加捻成螺旋结构，并在聚合物层表面聚合了一层多巴胺，然后粘附了一层导电应变传感层(如利用MXene和单壁碳纳米管分散液生成)，使得纤维在有源刺激收缩过程中具备了应变传感功能。碳纳米管纤维芯具有电加热作用，聚合物层既作为驱动层又起到了绝缘作用，聚多巴胺用来粘附捕捉驱动层形变的传感材料。光滑的聚二甲基硅氧烷表面无法涂敷传感碳基传感材料，聚多巴胺作为贻贝类生物分泌的粘性蛋白质可以在光滑的基团表面形成强的黏附作用，稳定的桥接在聚二甲基硅氧烷与碳基导电材料之间，相比于其他粘附剂，使用聚多巴胺制备的人工肌肉纤维自传感的稳定性更高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种自传感材料，所述自传感材料的结构由内到外依次为螺旋状绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维、聚多巴胺层和导电应变传感层；所述螺旋状绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维、聚多巴胺层和导电应变传感层为同轴结构。
优选地，所述螺旋状聚合物包裹碳纳米管纤维的捻度为3000turns/m。
优选地，所述绝缘聚合物的热膨胀系数为1×10-4～9.6×10-4/℃，如聚二甲基硅氧烷、尼龙、芳纶或聚酰亚胺等。
本发明的导电应变传感层能够完成导电传感的功能即可，材料可以选择导电碳基材料，优选为MXene/单壁碳纳米管复合材料。
本发明中的MXene为材料科学中的一类二维无机化合物，材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。
本发明技术方案之二：提供一种上述自传感材料的制备方法，包括以下步骤：
利用绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维后捻成螺旋状；再对所述绝缘聚合物的表面进行亲水化处理；于亲水化处理后的绝缘聚合物表面聚合多巴胺，生成聚多巴胺层；最后于聚多巴胺层表面生成导电应变传感层。
优选地，所述亲水化处理的方法为氧等离子体处理，目的是使绝缘聚合物的表面生成更多的亲水性官能团，达到亲水改性的目的，使绝缘聚合物与聚多巴胺层能够更好地结合。
本发明技术方案之三：提供一种上述自传感材料在制备人工肌肉纤维中的应用。
本发明所述自传感材料的导电应变传感层相当于人工肌肉纤维的鞘层，随着人工肌肉纤维的收缩，鞘层的电阻随之变化，相对电阻的变化可用于实时追踪纤维的运动位置状态。
本发明的有益技术效果如下：
本发明制备的自传感材料自传感信号精度高、线性相关性强、循环稳定性好。该自传感材料可用于制备人工肌肉纤维，能够在不同的电压下表现出不同的收缩量，且随着电压的增加收缩量线性增加，通过相对电阻变化的信号，不需要传感器便可以时刻监测人工肌肉纤维的运动位置与过程。
附图说明
图1为本发明实施例1中具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备流程图和材料横截面示意图；其中，a为制备流程图；b为材料横截面示意图。
图2为本发明实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的结构表征图。
图3为本发明实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的工作机制示意图。
图4为实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的自传感性能图；其中，a为人工肌肉纤维在不同电压下的收缩量；b为不同驱动量下人工肌肉纤维的相对电阻；c为电压为10V时，人工肌肉纤维不同负载下的应变传感特性；d为温度变化与人工肌肉纤维收缩行程的关系；e为人工肌肉纤维在10V电压、14g载荷、三个周期下的收缩特性与时间的关系；f为不同电压和负载量下人工肌肉纤维的功密度。
图5为实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的循环性能图。
图6为具有自传感功能的人工肌肉纤维驱动应变与未涂覆自传感层的人工肌肉纤维驱动性能对比图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例1中具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备流程图和材料横截面示意图见图1；其中，a为制备流程图；b为材料横截面示意图。
实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的工作机制示意图见图3，人工肌肉纤维收缩的同时伴随着鞘层结构电阻的变化，利用MXene/单壁碳纳米管传感层相对电阻的变化可以实时追踪纤维的运动位置状态。
实施例1
具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备：
将50μm厚、5mm宽、27cm长的聚二甲基硅氧烷膜包裹碳纳米管纤维后，一端固定到电动机的尖端，另一端固定到装有10g重的夹子上。整个纤维悬挂在电机和夹子之间进行加捻，插入的捻度为3000turns/m。将制备的纤维固定在聚四氟乙烯模板上进行预拉伸，并用氧等离子体(功率150W，处理时间90s)处理使其表面亲水，以便聚合多巴胺。单壁碳纳米管(0.1wt％)和十二烷基苯磺酸钠通过细胞粉碎机以1:1的比例均匀分散在去离子水中，然后将0.2g MXene粉末和10mL单壁碳纳米管分散液超声分散以获得MXene/单壁碳纳米管均匀分散液。聚合多巴胺后纤维表面涂敷MXene/单壁碳纳米管导电分散液，待纤维表面全部均匀涂覆后(厚度为20μm)，再通过步进电机进行加捻，制备具有自传感功能的人工肌肉纤维。
实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的结构表征图见图2。
实施例2
具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备：
与实施例1相比，可以用其他导电分散液来制备具有自传感功能的人工肌肉纤维，具体为石墨烯(0.1wt％)和十二烷基苯磺酸钠通过细胞粉碎机以1:1的比例均匀分散在去离子水中，然后将0.2g MXene粉末和10mL石墨烯分散液超声分散以获得MXene/石墨烯均匀分散液。
对比例1
具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备：
与实施例1相比，省略氧等离子体处理步骤。省去氧等离子处理步骤后，多巴胺无法在复合纤维中聚合，导电层无法稳定的附着在纤维上。
对比例2
具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备：
与实施例1相比，将聚多巴胺替换为硅胶粘附剂Sil Poxy。实验结果发现，导电层无法稳定的附着在复合纤维上，使得整个人工肌肉纤维的循环使用次数下降到1000次左右。
对比例3
具有自传感功能的人工肌肉纤维的制备：
与实施例1相比，不涂覆导电层聚多巴胺。
试验结果：
测定各实验组制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的自传感性能。
图4为实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的自传感性能图；其中，a为人工肌肉纤维在不同电压下的收缩量；b为不同驱动量下人工肌肉纤维的相对电阻；c为电压为10V时，人工肌肉纤维不同负载下的应变传感特性；d为温度变化与人工肌肉纤维收缩行程的关系；e为人工肌肉纤维在10V电压、14g载荷、三个周期下的收缩特性与时间的关系；f为不同电压和负载量下人工肌肉纤维的功密度。
从图4中能够看出，人工神经肌肉纤维在10V电压下的最大收缩量为17％，同时在不同电压下表现出不同的收缩量，且随着电压的增加收缩量线性增加(图4中a)；人工肌肉纤维在不同的驱动量下相对电阻都表现出线性变化(图4中b)。通过相对电阻变化的信号，不需要传感器便可以时刻监测人工肌肉纤维的运动位置与过程。本发明也展示了人工肌肉纤维在10V电压不同负载下的应变传感特性，其电阻的相对变化也与人工肌肉纤维的收缩行程线性相关(图4中c)。如图4中d所示，温度的变化与人工肌肉纤维的收缩行程线性相关，因此人工肌肉纤维附带温度传感功能，将提供测量温度变化以获得收缩行程的可能性。图4中e展示了人工肌肉纤维在10V电压、14g载荷、三个周期下的收缩特性与时间的关系。在每个周期中，10V电压通7s，关断38s。当施加10V电压时，随着负载量的增加，收缩力和等距力呈一致的增加趋势，最大可达14g(～0.8MPa)，然后迅速下降。最后我们计算出在电压为10V、负载为16g时，人工肌肉纤维的最大功密度为134.5kJ·m-3(图4中f)，是哺乳动物骨骼肌的17倍(8kJ·m-3)。
图5为实施例1制备的具有自传感功能的人工肌肉纤维的循环性能图，图5显示了人工神经肌肉纤维在14g负荷下，经过1000次循环后，它的收缩没有显著变化，在每个循环中，10V电压打开5s，关闭25s。
对比例1不用氧等离子处理纤维表面，多巴胺在聚二甲基硅氧烷表面聚合量少，无法实现均匀的聚合，从而使MXene/单壁碳纳米管分散液无法均匀涂敷形成稳定的导电层，不能制备具有自传感功能的人工肌肉纤维。
对比例2说明其他粘附剂替换聚多巴胺后会影响自传感的稳定性，聚多巴胺与其他粘附剂相比更薄、黏附效果更好，不限制驱动作用。
实施例1与对比例3的具有自传感功能的人工肌肉纤维驱动应变和未涂覆自传感层的人工肌肉纤维驱动性能对比图见图6，从图6中能够看出，自传感层的涂附并不影响肌肉驱动层的输出应变和输出应力性能。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种自传感材料，其特征在于，所述自传感材料的结构由内到外依次为螺旋状绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维、聚多巴胺层和导电应变传感层；所述螺旋状绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维、聚多巴胺层和导电应变传感层为同轴结构。
2.根据权利要求1所述的自传感材料，其特征在于，所述螺旋状聚合物包裹碳纳米管纤维的捻度为3000turns/m。
3.根据权利要求1所述的自传感材料，其特征在于，所述绝缘聚合物的热膨胀系数为1×10-4～9.6×10-4/℃。
4.根据权利要求3所述的自传感材料，其特征在于，所述绝缘聚合物为聚二甲基硅氧烷、尼龙、芳纶或聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的自传感材料，其特征在于，所述导电应变传感层的材料为MXene/单壁碳纳米管复合材料。
6.一种权利要求1～5任一项所述自传感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用绝缘聚合物包裹碳纳米管纤维后捻成螺旋状；再对所述绝缘聚合物的表面进行亲水化处理；于亲水化处理后的绝缘聚合物表面聚合多巴胺，生成聚多巴胺层；最后于聚多巴胺层表面生成导电应变传感层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述亲水化处理的方法为氧等离子体处理。
8.一种权利要求1～5任一项所述自传感材料在制备人工肌肉纤维中的应用。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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