CN1934776A - 高分子致动器 - Google Patents

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Abstract

一种在线性方向上可伸展/可收缩、重量轻且能在低电压下工作的高分子致动器。提供了高分子致动器(1)，其包括电解质的水溶液(6)和排列在其中的多个凝胶/电极复合体(4a，4b)，每个凝胶/电极复合体(4a，4b)由包含至少具有酸性或碱性官能团的高分子的高分子凝胶(2a，2b)和放置于其中的含有能够电化学储氢和释氢的材料的电极(3a，3b)组成，其中根据施加在多个凝胶/电极复合体(4a，4b)的电极(3a，3b)之间的电压，该凝胶/电极复合体(4a，4b)的高分子凝胶(2a，2b)中的pH值发生改变，使得根据该pH值的改变，该凝胶/电极复合体(4a，4b)分别发生体积变化。

Description

高分子致动器
技术领域
本发明涉及高分子致动器(actuator)。
背景技术
机器人的实用性已在包括护理服务、危险作业和娱乐的多个领域中引起关注。适用于这些应用的机器人需要具有类似于动物的可进行复杂运动的关节(可动部件)。
用来驱动这些可动部件的常规致动器是磁性旋转电机。然而，该致动器因为由金属制成而具有重量大的缺陷。
带入到可动部件中的致动器重量增大了负荷。重的致动器需要大输出，且大功率致动器是巨大和沉重的。这是一个难以解决的矛盾问题。
此外，磁性旋转电机需要减速器以控制旋转速度和扭矩。因为其中的齿轮磨损，减速器随着时间而损坏。
在低旋转速度下产生高扭矩的超声马达不需要减速器；但因为是由金属制成，它们也很沉重(并因此提出了上述的相同问题)。
为了该原因，最近开发出了其中轻的柔性聚合材料起到重要作用的高分子致动器。
该高分子致动器包括聚合压电元件(其使用聚偏二氟乙烯)、导电高分子致动器(其使用电子导电高分子)和凝胶致动器(其使用聚合凝胶)。
所述凝胶致动器，特别是使用水溶胀聚合水凝胶的致动器，其运作依赖于聚合水凝胶，该聚合水凝胶响应于在其环境内的温度、离子强度和pH而在体积上发生改变。体积改变量为30-50％，且体积上的所述改变产生了0.2-0.4MPa的力。该性能可与骨骼肌的性能相比。
然而，所述聚合水凝胶具有一些缺陷。其不能快速被加热或冷却。其需要必须用泵进行循环和储存在储存器(reservoir)中的电解液以控制离子浓度。因此，其不适用于小、轻的系统。
还有其他类型的聚合水凝胶，其称为pH-响应聚合水凝胶。该水凝胶取决于其周围水溶液的pH而在体积上发生变化(通过电化学反应)。
通过利用在电极附近的pH变化和由于当对放置在电解水溶液中的电极施加电压时在电极表面上形成的双电层而发生的浓度梯度的现象，可驱动和控制所述pH-响应水凝胶。
上述pH-响应水凝胶在构成所述凝胶的高分子中具有酸性或碱性官能团，因此所述凝胶取决于其周围水溶液的pH而发生溶胀(或在体积上发生改变)。
例如，具有酸性官能团的pH-响应水凝胶以如下方式运作。当其在具有高pH的电解水溶液中时，在该凝胶中的酸性基团离解出质子变成阴离子，从而增大了亲水性并在带负电的分子中或之间产生了排斥力。这导致该凝胶发生溶胀。相反地，在具有低pH的电解水溶液中，该凝胶中的酸性基团并未离解，而是在它们之间形成了氢键。这导致凝胶收缩。
相反，具有碱性基团的pH-响应聚合水凝胶以相反方式工作。即，在具有高pH的电解水溶液中，在凝胶中的碱性基团质子化为阳离子，由此增大了亲水性并在带正电的分子中或之间产生了排斥力。这导致凝胶发生溶胀。
因此，当使用时，将pH-响应聚合水凝胶浸入到电解水溶液中，并在放置于其中的电极上施加约1-3V的电压。该电压在电解水溶液中形成了离子浓度梯度，并改变了电极周围的pH值。该机理使得可仅在低电压下便可控制pH-响应聚合水凝胶的溶胀和收缩，而不需要加热和冷却单元、泵和储存器。
可将如上述发生的变形用于致动器。实际上，已知从pH-响应聚合水凝胶膜电化学产生弯曲位移(curved displacement)的致动器，其中所述pH-响应聚合水凝胶膜保持在连接到电压电源的电极之间。参见专利文献1(JP-B No.Hei-7-97912)。
遗憾的是，与相似于骨骼肌的能够线性伸展和收缩的致动器不同，弯曲位移型致动器难以应用到机器人关节中。因此，对类似于骨骼肌的能够线性伸展和收缩的致动器存有需求。
如果增大电极之间的距离和使凝胶更靠近一个电极，以使另个电极可更小地影响凝胶，从而可使得凝胶无弯曲地伸展(伸长)和收缩。然而，在凝胶可自由伸展和收缩的同时，非常难以将凝胶固定到一个电极的附近。
对电极施加的电压改变了电极附近的pH。遗憾的是，施加电压导致了水的电解，由于靠近阳极的氧化作用，该电解降低了OH-浓度，由此降低了pH并产生了氧气，且由于靠近阴极的还原作用，该电解也降低了H+浓度，由此增大了pH并产生氢气。当增大流经电极的电流时，可在离电极相对较远的地方发生pH改变；然而，放出(evolution)氧气和氢气以及水(作为用于电解液(electrolyte)的溶剂)的消耗仍提出了设计密闭致动器元件的问题。
为了解决上述问题而完成了本发明。本发明的目的是提供密闭高分子致动器，该致动器能够线性伸展和收缩而没有弯曲位移，且该致动器的重量轻并能在低电压下操作，而没有气体放出和水消耗。
发明内容
本发明涉及高分子致动器，其包括排列在电解水溶液中的多个凝胶/电极复合体，所述凝胶/电极复合体由至少包含酸性或碱性官能团的高分子凝胶和放置在所述高分子凝胶中的电极组成，所述电极由能够电化学储氢和释氢的材料制成，使得当在凝胶/电极复合体的电极之间施加电压时，凝胶/电极复合体中的高分子凝胶在pH上发生改变，以及响应于该pH改变，每个所述凝胶/电极复合体在体积上发生改变。
附图说明
图1是显示根据本发明一个实施方式的高分子致动器的结构的示意图。
图2A和2B是显示根据本发明一个实施方式的高分子致动器的示意性截面图。它们分别显示了在收缩状态和伸展状态的高分子致动器。
图3A和3B是显示构成根据本发明一个实施方式的高分子致动器的凝胶/电极复合体的示意性透视图。它们分别显示在伸展(伸长)状态和收缩状态的凝胶/电极复合体。
图4A和4B是显示构成根据本发明另一个实施方式的高分子致动器的凝胶/电极复合体的示意性透视图。它们分别显示在伸展(伸长)状态和收缩状态的凝胶/电极复合体。
具体实施方式
参考相关附图将描述根据本发明一个实施方式的高分子致动器。并不能认为下面的描述是用来限制本发明的范围。
根据本发明的高分子致动器的优选实例是由含有带酸性官能团的高分子凝胶的凝胶/电极复合体的一个单元和含有带碱性官能团的高分子凝胶的凝胶/电极复合体的一个单元所构成。该实例并不是用来限制本发明的范围。图1是显示根据本发明的高分子致动器1的示意图。
示于图1中的高分子致动器1由凝胶/电极复合体4a和凝胶/电极复合体4b构成。凝胶/电极复合体4a是由具有酸性官能团的聚合水凝胶2a和放置于其中的电极3a组成。(以下有时称为酸性凝胶/电极复合体。)凝胶/电极复合体4b是由具有碱性官能团的聚合水凝胶2b和放置于其中的电极3b组成。
(以下有时称为碱性凝胶/电极复合体。)
凝胶/电极复合体4a和4b排列在密闭容器5中，该容器充满电解水溶液6。电极3a和3b穿过容器5的末端。
顺便地(incidentally)，凝胶/电极复合体4a和4b近似于彼此平行。容器5应优选由能够响应凝胶/电极复合体4a和4b的体积改变而伸展和收缩的材料制成。
当在凝胶/电极复合体4a和4b的电极3a和3b之间施加电压时，聚合水凝胶2a和2b在pH上发生改变和响应于该pH改变，凝胶/电极复合体4a和4b在体积上发生改变。
假定电极3a和3b是由能够电化学储氢和释氢的材料制成。
由该特定材料制成的电极以下述方式运行。阳极释放出氢以在其周围增大H+浓度并降低pH值。阴极储纳(occlude)H+(通过还原作用)以在其周围降低H+浓度并增大pH值。该机理使得可在聚合水凝胶2a和2b中发生pH改变，而没有放出气体(氧气和氢气)且不消耗水。
通过参考图2A和2B，根据下面所解释的机理，具有如上所述构成的高分子致动器进行伸展和收缩。
假定酸性凝胶/电极复合体4a的电极3a是阳极，和碱性凝胶/电极复合体4b的电极3b是阴极。施加在这些电极上的电压(1-3V)降低了聚合水凝胶2a中(或在阳极3a的附近中)的pH值。随着pH值降低，在酸性凝胶/电极复合体4a中的酸性基团没有离解，而是彼此形成了氢键，使得酸性凝胶/电极复合体4a发生收缩。相反地，施加在这些电极上的电压(1-3V)增大了聚合水凝胶2b中(或在阴极3b的周围中)的pH值。随着pH值增大，在碱性凝胶/电极复合体4b中的碱性基团没有质子化，而是彼此形成了氢键，使得所述酸性凝胶/电极复合体4b发生收缩。(图2A)
当移走电压或当反转电压极性时，则增大了在酸性凝胶/电极复合体4a中的pH值。该pH增大导致酸性凝胶/电极复合体4a中的酸性基团变成阴离子，同时酸性基团离解出质子，由此使得酸性凝胶更为亲水和由于负电荷而增大了分子内或分子间排斥力。结果，酸性凝胶/电极复合体4a发生伸展。另一方面，在碱性凝胶/电极复合体4b中的pH值降低。该pH降低导致碱性凝胶/电极复合体4b中的碱性基团变成阳离子，同时碱性基团质子化，由此使得碱性基团更为亲水和由于正电荷而增大了分子内或分子间排斥力。结果，碱性凝胶/电极复合体4b发生伸展。(见图2B。)
如上所述，根据本发明的高分子致动器1具有排列在电解水溶液6中的凝胶/电极复合体4a和4b，从而当对凝胶/电极复合体4a和4b的电极3a和3b施加电压时，凝胶/电极复合体4a和4b在体积上发生改变。因此，避免了必须使用冷却和加热单元、泵和储存器，且不同于响应温度和离子强度而在体积上发生改变的常规致动器，其在重量上轻并能够在低电压下(比如，1-3V)进行控制。
此外，凝胶/电极复合体4a和4b由具有酸性或碱性官能团的聚合水凝胶2a和2b，以及排列在聚合水凝胶2a和2b中的电极3a和3b所构成。因此，当施加电压时，凝胶/电极复合体4a和4b均在相同方向上进行伸展和收缩。不同于常规的凝胶/电极复合体，如所说明的杆状形状的凝胶/电极复合体4a和4b发生线性伸展和收缩，而没有弯曲位移。
凝胶/电极复合体4a和4b以这样的方式在体积上发生改变，在该方式中聚合水凝胶2a和2b不从电极3a和3b上分离。因此，pH改变被有效地传送到凝胶/电极复合体4a和4b上。这导致了有效的伸展和收缩。
凝胶/电极复合体4a和4b的体积改变产生了大至足以驱动机器人的关节(可动部件)的力。
根据本发明的高分子致动器1具有凝胶/电极复合体4a和4b，其中电极3a和3b应优选具有容易遵从(follow)聚合水凝胶2a和2b的体积改变的形状。例如，它们应优选为示于图1-3B中的线圈状金属线。在该情况中，线圈通过其弹性变形遵从凝胶/电极复合体4a和4b的体积改变。所述线圈状金属线应优选为细的和柔性的，以使其易于遵从所述体积改变。
在根据本发明的高分子致动器中，排列在凝胶/电极复合体4a和4b中的电极3a和3b应由能够电化学储氢和释氢的材料形成。该材料使得可在聚合水凝胶2a和2b中发生pH改变，而没有气体放出且无水消耗。从而得到密闭的致动器元件。
能够电化学储氢和释氢的材料没有特别地限制；其可选自任何已知金属、无机化合物和有机化合物，如金属氢化物和储氢合金(已知作为用于镍-氢二次电池的阴极材料)。后者由于其高的储氢量而是合适的。这些材料可单独使用或与其他材料组合使用(以混合物或合金的形式)。
这些材料中优选的是形成金属氢化物的钯(Pd)。其能电化学储氢和释氢，而且与其他金属氢化物和储氢合金相比，它对施加电压时由于氧化作用或还原作用而引起的离解或钝化具有更高的耐受性。其他合适的材料是涂覆有能抵抗离解和钝化并能渗透氢的材料(如钯)的易于离解和钝化的储氢合金。
电解水溶液6可为包含任何已知水溶性电解质的水溶液。
电解质在电解水溶液6中的浓度应为0.01-0.5mol/dm3。当电解质浓度增大时，离子导电率增大并快速发生pH改变。然而，由于渗透压力的差异，具有高浓度的电解水溶液6从聚合水凝胶2a和2b中吸收水。这阻止了凝胶/电极复合体4a和4b的伸展。与此相比，具有低浓度的电解水溶液6不阻止凝胶/电极复合体4a和4b的伸展，但其响应可较慢。
容器5是容纳电解水溶液6的容器。其也可用作将凝胶/电极复合体4a和4b的位移转变成机械功的终端。
容器5可在形状和材料上广泛地进行变化；需要它能紧密地密封电解水溶液6和为柔性的以足够允许凝胶/电极复合体4a和4b的位移。其应优选为由聚合材料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯和碳氟树脂的膜制成的袋状容器。
将凝胶/电极复合体4a和4b的电极3a和3b电连接到电极端7上，并从容器5中向外伸出，同时保持容器5的气密性。
凝胶/电极复合体4a和4b具有固定在容器5上的末端，从而当其在体积上发生改变或响应其位移时，容器5发生伸展或收缩。
因此，容器的末端5′可固定在由机械功驱动的机械装置(未显示)上。
可将固定凝胶/电极复合体4a和4b的容器5的末端用作电极端7。
如果容器5不是柔性的，可不将末端5′固定在容器5上，而是可沿着容器5的壁表面滑动，从而容器5遵从凝胶/电极复合体4a和4b的体积改变。
在根据本发明的高分子致动器中，构成凝胶/电极复合体的高分子凝胶可同时包含酸性官能团和碱性官能团。
在该情况中，当在凝胶/电极复合体中的电解液的pH值低时，随着碱性基团阳离子化，发生了伸展。当pH值高时，随着酸性基团阴离子化，也发生了伸展。然而，在中性区域中，通过离子键，两种离子化的官能团形成了离子复合体，这导致了收缩。
在其中具有酸性官能团的高分子和具有碱性官能团的高分子组成了构成凝胶/电极复合体的高分子凝胶的情况中，也证实发生了该现象。
上述凝胶/电极复合体起作用，使得在中性电解液中当电极电势为惰性(noble)或碱性时凝胶发生伸展，和当电极电势回复到平衡时，凝胶发生收缩。
因此，这避免必须使用用于阴极和阳极的两种凝胶。当对相同结构的凝胶/电极复合体的电极施加电压时，凝胶/电极复合体产生了线性位移。
用于凝胶/电极复合体的电极可为如图1-3B中所说明的线圈状物体；然而，用于本发明高分子致动器的电极并不限于该线圈状物体。其可采取能平稳遵从高分子凝胶的体积改变的任何形状。其实例是示于图4A和4B中的筛网状物体。如上述线圈状物体的情况，该筛网状物体也通过其弹性变形而遵从高分子凝胶的体积改变。筛网状物体应优选由细的柔性线形成。
凝胶/电极复合体的电极并不限于上述的线圈状物体或筛网状物体；其可由与高分子凝胶相混合或分散在高分子凝胶中的任何颗粒状或纤维状材料形成。在该情况中，也能有效地引起pH改变，而不妨碍高分子凝胶的体积改变。
此外，凝胶/电极复合体的电极可为线圈状或筛网状物体与颗粒状或纤维状材料的组合。所得电极可更有效地引起pH改变。
具有酸性或碱性官能团的构成凝胶/电极复合体的高分子凝胶包括具有酸性官能团如羧酸和磺酸的高分子，和具有碱性官能团如伯胺、仲胺和叔胺的高分子。
具有酸性官能团的高分子实例包括丙烯酸、甲基丙烯酸、乙酸乙烯酯、马来酸、衣康酸、乙烯基磺酸和苯乙烯磺酸(styrenesulfonic acid)的高分子。
具有碱性官能团的高分子的实例包括亚乙基亚胺、烯丙基胺、乙烯基吡啶、赖氨酸、乙烯基苯胺、乙烯基咪唑、丙烯酸氨基乙基酯、丙烯酸甲基氨基乙基酯、丙烯酸二甲基氨基乙基酯、丙烯酸乙基氨基乙基酯、丙烯酸乙基甲基氨基乙基酯、丙烯酸二乙基氨基乙基酯、甲基丙烯酸氨基乙基酯、甲基丙烯酸甲基氨基乙基酯、甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯、甲基丙烯酸乙基氨基乙基酯、甲基丙烯酸乙基甲基氨基乙基酯、甲基丙烯酸二乙基氨基乙基酯、丙烯酸氨基丙基酯、丙烯酸甲基氨基丙基酯、丙烯酸二甲基氨基丙基酯、丙烯酸乙基氨基丙基酯、丙烯酸乙基甲基氨基丙基酯、丙烯酸二乙基氨基丙基酯、甲基丙烯酸氨基丙基酯、甲基丙烯酸甲基氨基丙基酯、甲基丙烯酸二甲基氨基丙基酯、甲基丙烯酸乙基氨基丙基酯、甲基丙烯酸乙基甲基氨基丙基酯、甲基丙烯酸二乙基氨基丙基酯、二甲基氨基乙基丙烯酰胺和二甲基氨基丙基丙烯酰胺的高分子。
如果需要，这些高分子可具有分子内或分子间交联或可与其他高分子进行混合。它们也可为由不同单体组成的共聚物形式。
凝胶/电极复合体并不限于它们的数量，只要组合使用至少两个单元即可。在其中组合使用包含酸性官能团的高分子凝胶的一个以上凝胶/电极复合体和包含碱性官能团的高分子凝胶的一个以上凝胶/电极复合体的情况中，前者的数量必须等于后者的数量，因为对前者施加负电压和对后者施加正电压。
在其中构成凝胶/电极复合体的高分子凝胶包含具有酸性官能团和碱性官能团的高分子的情况中，或在其中构成凝胶/电极复合体的高分子凝胶包含各自均具有酸性官能团和碱性官能团的高分子的混合物的情况中，凝胶/电极复合体的总数应优选是平均的，从而对它们的一半施加负电压和对它们的另一半施加正电压。
将参考下面实施例来描述本发明，其中实际制备和操作了本发明的高分子致动器。
实施例1
在该实施例中，通过自由基聚合反应，由单体、交联剂和引发剂的水溶液制备了用于凝胶/电极复合体的聚合水凝胶。
用于具有酸性官能团的高分子的单体是丙烯酸钠。交联剂是N，N′-亚甲基二丙烯酰胺。引发剂是过硫酸铵。水溶液(作为凝胶前体)是由单体、交联剂和引发剂以100∶3∶1的摩尔比组成。
电极是铂线(直径10μm)的线圈(直径1mm)。将其放置在1.5mm内径和30mm长的玻璃管中，并然后将其固定使得线圈的轴与玻璃管的轴相重合。
然后将玻璃管充满凝胶前体溶液。用橡胶塞封闭其两端，将该充满的玻璃管在50℃下加热，使得凝胶前体溶液进行凝胶化。通过对玻璃管的一端施加压力，从而卸出所得凝胶。由此得到了酸性凝胶/电极复合体(其中高分子凝胶包含酸性官能团)。
将酸性凝胶/电极复合体浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，从而其发生收缩。然后，将酸性凝胶/电极复合体浸入在硝酸钠的水溶液(0.05mol/dm3)中。将与铂对电极(counter electrode)和银/氯化银参考电极相组合的酸性凝胶/电极复合体的电势给定为-1.0V，从而使其溶胀。
而且，以摩尔比100∶3∶1进行混合的丙烯酸二甲基氨基甲基酯(作为用于具有碱性官能团的高分子的单体)、N，N′-亚甲基二丙烯酰胺(作为交联剂)和过硫酸铵(作为引发剂)的水溶液形式制备了另一凝胶前体溶液。如上述用于酸性凝胶/电极复合体的相同方式，将其制成碱性凝胶/电极复合体(其中高分子凝胶包含碱性官能团)。
将如此得到的碱性凝胶/电极复合体浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，从而使其溶胀。
将如上述制备的每个酸性凝胶/电极复合体和碱性凝胶/电极复合体放置在6mm内径和50mm长的管状聚乙烯膜中，并将其一端进行热封闭。
通过开口端，用硝酸钠水溶液(0.05mol/dm3)充满该管状聚乙烯膜，然后进行热封闭。顺便地(incidentally)，以使得将从管状聚乙烯膜末端伸展出的线圈固定在该聚乙烯膜中的方式进行热密封。
由此得到了如图1和图2A及2B所示构造的高分子致动器。
通过在电极之间施加2V电压来测试所得高分子致动器，其中酸性凝胶/电极复合体作为阳极和碱性凝胶/电极复合体作为阴极。作为用作阳极和阴极的两种凝胶/电极复合体均发生收缩的结果，发现高分子致动器在长度上于热密封部件之间从45mm减小到25mm。
在收缩期间，注意到从凝胶/电极复合体中没有放出气体。
实施例2
在该实施例中，通过自由基聚合反应，由单体、交联剂和引发剂的水溶液制备了用于凝胶/电极复合体的聚合水凝胶。
用于具有酸性官能团的高分子的单体是丙烯酸。用于具有碱性官能团的高分子的单体是甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯。交联剂是N，N′-亚甲基二丙烯酰胺。引发剂是过硫酸铵。水溶液(作为凝胶前体)是由酸性单体、碱性单体、交联剂和引发剂以50∶50∶3∶1的摩尔比组成。
电极是铂线(直径10μm)的线圈(直径1mm)。将其放置在1.5mm内径和30mm长的玻璃管中，并然后将其固定，使得线圈的轴与玻璃管的轴相重合。
将玻璃管充满凝胶前体溶液。用橡胶塞封闭其两端，将充满的玻璃管在50℃下加热，使得凝胶前体溶液进行凝胶化。通过对玻璃管的一端施加压力卸出所得凝胶。从而得到了两性凝胶/电极复合体(其中高分子凝胶同时包含酸性官能团和碱性官能团)。
将如此得到的两性凝胶/电极复合体浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，从而其发生伸展。然后，将两性凝胶/电极复合体浸入在硝酸钠的水溶液(0.05mol/dm3)中。将与铂对电极和银/氯化银参考电极相组合的两性凝胶/电极复合体的电势给定为-1.0V，从而使其收缩。
将两个如此得到的两性凝胶/电极复合体放置在6mm直径和50mm长的管状聚乙烯膜中，并将其一端进行热封闭。
由开口端，用硝酸钠水溶液(0.05mol/dm3)充满管状聚乙烯膜。最后将开后端进行热封闭。顺便地，以使得将从管状聚乙烯膜末端伸展出的线圈固定在聚乙烯膜中的方式进行热密封。线圈的突出端用作电极端。
从而得到了如图1和图2A及2B所示的高分子致动器。
通过对电极端施加2V电压来测试所得高分子致动器，其中凝胶/电极复合体的一个电极端作为阳极和凝胶/电极复合体的另一个电极端作为阴极。作为两个凝胶/电极复合体伸展的结果，发现高分子致动器在长度上于热密封部件之间从35mm增大到43mm。
在伸展期间，注意到从凝胶/电极复合体中没有放出气体。
实施例3
除了将相当于单体的10重量％的Pd粉加入到凝胶前体溶液中外，重复实施例1中的相同过程，以制备高分子致动器。
通过对酸性凝胶/电极复合体(作为阳极)和碱性凝胶/电极复合体(作为阴极)施加2V电压来测试所得高分子致动器。作为两个凝胶/电极复合体收缩的结果，发现高分子致动器于热密封部件之间在长度上从45mm减小到31mm。收缩期间，注意到从凝胶/电极复合体中没有放出气体。
对比例
在该实施例中，通过自由基聚合反应，由单体、交联剂和引发剂的水溶液也制备了用于凝胶/电极复合体的聚合水凝胶。
以摩尔比100∶3∶1进行混合的丙烯酸钠(作为用于具有碱性官能团的高分子的单体)、N，N′-亚甲基二丙烯酰胺(作为交联剂)和过硫酸铵(作为引发剂)的水溶液形式制备了凝胶前体溶液。
电极是铂线(直径10μm)的线圈(直径1mm)。将其放置在1.5mm内径和30mm长的玻璃管中，并然后将其固定，使得线圈的轴与玻璃管的轴相重合。
将玻璃管充满上述凝胶前体溶液。用橡胶塞封闭其两端，将充满的玻璃管在50℃下加热，使得凝胶前体溶液进行凝胶化。通过对玻璃管的一端施加压力卸出所得凝胶。从而得到了酸性凝胶/电极复合体(其中高分子凝胶包含酸性官能团)。
而且，以摩尔比100∶3∶1进行混合的甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯(作为用于具有碱性官能团的高分子的单体)、N，N′-亚甲基二丙烯酰胺(作为交联剂)和过硫酸铵(作为引发剂)的水溶液形式制备了另一凝胶前体溶液。
以与上述用于酸性凝胶/电极复合体的相同方式，将凝胶前体溶液制成碱性凝胶/电极复合体(其中高分子凝胶包含碱性官能团)。
将如此得到的碱性凝胶/电极复合体浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，从而使其溶胀。
将酸性凝胶/电极复合体和碱性凝胶/电极复合体放置于直径6mm和50mm长的管状聚乙烯膜中。将该管的一端进行热封闭。
通过开口端，用硝酸钠水溶液(0.05mol/dm3)充满该管。顺便地，以使得将从密封的末端伸展出的线圈固定在聚乙烯膜中的方式进行热密封。
从而得到了如图1和图2A及2B所示的高分子致动器。
通过对酸性凝胶/电极复合体(作为阳极)和碱性凝胶/电极复合体(作为阴极)施加2V电压来测试所得高分子致动器。作为两个凝胶/电极复合体收缩的结果，发现高分子致动器于热密封部件之间在长度上从45mm减小到41mm。
在收缩期间，注意到从凝胶/电极复合体中放出气体。
此外，通过对酸性凝胶/电极复合体(作为阳极)和碱性凝胶/电极复合体(作为阴极)施加3V电压来测试所得高分子致动器。发现高分子致动器于热密封部件之间在长度上从41mm减小到35mm。然而，在收缩期间，注意到从凝胶/电极复合体中放出大量气体。
从实施例1-3和对比例中可明显地看出，由能够电化学储氢和释氢的材料制成的电极允许pH值在凝胶/电极复合体的高分子凝胶中发生改变，而没有气体释放且无水消耗，由此使得封闭致动器以稳定方式进行线性伸展和收缩。
工业利用
根据本发明的高分子致动器包括排列在电解溶液中的多个凝胶/电极复合体，使得当对凝胶/电极复合体的电极施加电压时，高分子凝胶在pH上发生改变，和响应于该pH改变，每个凝胶/电极复合体在体积上发生改变。因此，不同于常规致动器，高分子致动器避免了必须使用冷却和加热单元、泵和储存器，并在重量上轻和能够在低电压比如1-3V下进行控制。
此外，由于凝胶/电极复合体中的电极是由能够电化学储氢和释氢的材料制成，该致动器是工作时没有气体放出(由电解反应产生)的密闭致动器元件的形式。
不同于常规致动器，因为每个凝胶/电极复合体是由至少包含酸性或碱性官能团的高分子凝胶和嵌入到高分子凝胶中的电极组成，该高分子致动器能够如骨骼肌一样线性伸展和收缩而没有弯曲位移。
由于在凝胶/电极复合体中的体积变化，该线性伸展和收缩可用于驱动机器人关节(可动部件)。

Claims (10)

1.一种高分子致动器，其包含排列在电解水溶液中的多个凝胶/电极复合体，所述凝胶/电极复合体由含有至少包含酸性或碱性官能团的高分子的高分子凝胶和内置于所述高分子凝胶中的电极组成，所述电极包含能够电化学储氢和释氢的材料，当在所述凝胶/电极复合体的电极间施加电压时，该凝胶/电极复合体中的该高分子凝胶内部的pH发生改变，以及响应该pH改变，每个凝胶/电极复合体在体积上发生改变。
2.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体的电极由钯或含钯合金制成。
3.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体的电极由涂覆有钯的储氢合金制成。
4.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体的电极为线圈状或筛网状物体。
5.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体的电极为混合分散在该高分子凝胶中的颗粒状或纤维状物体。
6.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体的电极由线圈状或筛网状物体和颗粒状或纤维状物体组成。
7.如权利要求1中定义的高分子致动器，其具有由含酸性官能团的高分子凝胶形成的多于一个的凝胶/电极复合体单元，和由含碱性官能团的高分子凝胶形成的多于一个的凝胶/电极复合体单元。
8.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体的高分子凝胶含有包含酸性官能团的高分子和包含碱性官能团的高分子的混合物。
9.如权利要求1中定义的高分子致动器，其中该凝胶/电极复合体排列在所述凝胶/电极复合体的周围充满所述电解液的容器中，且所述容器具有从其两端伸出的电极。
10.如权利要求9中定义的高分子致动器，其中响应于该凝胶/电极复合体在体积上的改变，所述容器能够伸展或收缩。
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