一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法，本发明专利技术提供的柔性相变型人工肌肉材料包括柔性硅胶基体、相变液、导热率增强添加剂，加热电阻丝和外层尼龙网，所述的相变液以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体中，外面包裹有尼龙编织网；所述的相变液为无水乙醇，所述的导热率增强剂为氧化石墨烯或金纳米颗粒。本发明专利技术模仿肌肉收缩舒张的运动模式，将柔性复合材料设计与机械结构设计有机融合，提供出一种能够在低压条件下、柔性、体积小、变形大的柔性相变型人工肌肉材料。

A Flexible Phase Change Artificial Muscle Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法
本专利技术涉及一种人工肌肉材料及其制备方法，特别涉及一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法。
技术介绍
随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。传统的驱动方式如电机、气动、液压等因为体积过大，工作状态有限，难以满足未来机器人的发展要求，于是新型的致动材料成为研究的重点。目前，人工肌肉材料的研究主要集中在电活性聚合物及相变型人工肌肉上，这两种材料都具有较大的形变及能量密度。相变型人工肌肉是由弹性聚合物基体与可产生相变的材料组成，通过加热或者其他的方式使复合材料中的相变材料产生相变，从而产生体积变化，通过弹性体聚合物基体的可变性实现复合材料的变形和恢复，从而实现整体的膨胀与收缩。因此，我们想基于相变型人工肌肉，制备一种新型柔性相变型人工肌肉，可以在低电压下采用电热驱动模式进行驱动，解决传统驱动体积大，柔性差，工作状态有限的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现阶段人工肌肉材料技术的不足,传统的驱动方式如电机、气动、液压等因为体积过大，工作状态有限，难以满足未来机器人的发展要求等问题，提供的一种相变型人工肌肉材料及其制备方法。一种柔性相变型人工肌肉材料，包括柔性硅胶基体、相变液、导热率增强剂，加热电阻丝，外层尼龙网，所述的相变液以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体中，外面包裹有尼龙编织网，通过通电加热电阻丝产生热量变化，从而导致相变液产生液-汽相变，因为外面有柔性硅胶基体及尼龙编织网，该人工肌肉便可以产生肌肉状的往复收缩。所述的相变型人工肌肉沿长度方向收缩，沿径向方向膨胀。一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，包括以下步骤：一、配置柔性基体材料称取20ml的AB型硅胶,A：B＝1：1(A液10ml，B液10ml)，一定浓度导热率添加剂，乙醇，所述的硅胶和乙醇的体积百分比为15％～35％，采用机械搅拌的方式在硅胶和乙醇的混合溶液中边搅拌边加入干燥过的导热率增强剂，搅拌时间5min，手动搅拌即可，当导热率添加剂分散均匀后，便得到液态复合材料；二、制备模具及符合模具的电阻丝本专利技术使用10ml和5ml注射器注射管作为模具，将镍铬电阻丝卷成螺旋状，螺旋处长度为8cm，放入模具中；三、柔性相变型人工肌肉的定型将步骤一中的液态复合材料灌注在制备好并装有镍铬电阻丝的模具中，在室温下固化5h～8h成型，起模，得到柱状相变型人工肌肉；四、人工肌肉的包装将步骤三中的柱状相变型人工肌肉装入比其直径略小的尼龙编织网中，两端用扎带扎紧；所述步骤一中的AB硅胶型号为Ecoflex00-30；乙醇的浓度≥99.5％；所述导热率增强剂为金纳米粒子(长径比为2)或氧化石墨烯(纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层)；所述步骤二中所述的注射器管为标准的塑料注射器，镍铬电阻丝直径为0.25mm-0.35mm，所卷成的螺旋状电阻丝直径比注射管内径小3mm-5mm。本专利技术的工作原理：本专利技术的提供的一种柔性相变型人工肌肉材料，可以应用于柔性机器人驱动器，将制作好的人工肌肉安装在机器人需要驱动的部位，通过外接电源进行控制；该材料选择柔性基体硅胶，将其制成柔性硅胶基体、中间均匀分布微小相变液液泡和为提高人工肌肉反应时间的导热率增强剂，该人工肌肉具有一定的柔性，接近肌肉的柔韧度。接通电源后，可以根据通断电电阻丝发热加热柔性硅胶基体内部的相变液液泡，相变液开始从液态变为汽态，液泡体积膨胀，带动材料整体发生膨胀，又由于在材料外部包装有尼龙编织网，编织网前后端用尼龙绑扎带固定封死，导致材料产生径向方向上的膨胀及长度方向上的收缩，当断电后，材料冷却下来，其中的相变液，从汽态变回液态，体积缩小为原来的大小，加尼龙编织网后，就会呈现材料的伸长，在反复通电过程中，可以实现相变型人工肌肉的收缩与膨胀，这与人体肌肉的工作模式非常吻合。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的柔性相变型人工肌肉材料，基于人体肌肉收缩膨胀的原理，将仿生设计与材料有机融合，突破传统机械式驱动器硬、体积大、能耗大的缺点，本专利技术方法制备简单快捷，可以在低压条件下(8V-12V)进行驱动，采用柔性基体，可以实现驱动器的柔性化，体积小、变形大可以实现机器人的小型化；这种新的相变型人工肌肉设计与材料制备方法使机器人不再需要复杂的机械结构进行驱动，为实现机器人驱动器的低能耗、地能耗、柔性和小型化提供了一种解决方案。附图说明图1为本专利技术透视结构示意图。图2为本专利技术未包裹尼龙编织网的变形示意图图3为本专利技术包裹尼龙编织网的实物效果图。图4为本专利技术的制备示意图。具体实施方式实施例一请参阅图1-4所示：一种柔性相变型人工肌肉材料，包括柔性硅胶基体1、相变液2、导热率增强剂、加热电阻丝3和外层尼龙网，所述柔性硅胶基体1中含有纳米分散离子，所述的相变液2以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体1中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体1中，材料制作完成后在外面包裹尼龙编织网，通过通电加热电阻丝产生热量变化，从而导致相变液2产生液-汽相变，材料产生膨胀，断电后相变液2产生汽-液相变，材料收缩，如图2所示，因为外面有柔性硅胶基体1及尼龙编织网，该人工肌肉便可以产生肌肉状的往复收缩；所述的柔性硅胶基体1的硅胶型号为Ecoflex00-30，邵氏硬度为00-30A，拉伸强度200psi，断裂伸长率为900％。直径为针筒模具直径12mm，长度为10cm；所述的相变液2为无水乙醇浓度≥99.5％，市售(阿拉丁试剂)；所述的导热率增强添加剂为水溶性金纳米粒子，粒径20nm×40nm，长径比为2，添加质量分数为4×10-6％。所述的加热电阻丝3为镍铬电阻丝3，电阻丝直径0.25mm，卷制为螺旋状后，螺旋处直径为6mm，长度为8cm；所述的柔性硅胶基体1与加热电阻丝3同轴；所用针筒模具为5ml针筒，内径为12mm，长度10cm；一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：一、配置柔性基体材料称取10ml的Ecoflex00-30AB型硅胶，其中A：B体积比为1:1，和粒径为20×40nm的金纳米粒子溶液，所述的硅胶和乙醇的体积百分比为25％，采用机械搅拌的方式在硅胶和乙醇的混合溶液中边搅拌边加入干燥过的金纳米粒子，搅拌时间5min，手动搅拌即可，当金纳米粒子分散均匀后，便得到液态复合材料；二、制备模具及符合模具的电阻丝本专利技术使用注射器注射管作为模具，本案例选择5ml的注射器针筒为模具，将镍铬电阻丝3卷成螺旋状，螺旋处直径为6mm，长度8cm，放入模具中；三、柔性相变型人工肌肉的定型将步骤一中的液态复合材料灌注在制备好并装有镍铬电阻丝3的模具中，在室温下固化5h～8h成型，起模，得到柱状相变型人工肌肉；步骤一中的AB硅胶型号为Eciflex00-30；乙醇的浓度≥99.5％；金纳米粒子的粒径20nm×40nm，长径比为2；步骤二中所述的注射器管为标准的塑料注射器，镍铬电阻丝3直径为0.35mm，所卷成的螺旋状电阻丝螺旋处直径为6mm，长度8cm；将本实施例提供的柔性相变型人工肌肉材料连接在测试电极上，进行机电性能测试实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：包括柔性硅胶基体1、相变液2、导热率增强剂、加热电阻丝3和外层尼龙网，所述的相变液2以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体1中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体1中，外面包裹有尼龙编织网。

【技术特征摘要】
1.一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：包括柔性硅胶基体1、相变液2、导热率增强剂、加热电阻丝3和外层尼龙网，所述的相变液2以液泡形式均匀分布在柔性硅胶基体1中，导热率增强添加剂均匀分散在柔性硅胶基体1中，外面包裹有尼龙编织网。2.根据权利要求1所述的一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：所述的柔性硅胶基体1的硅胶型号为Ecoflex00-30，拉伸强度为200psi，断裂伸长率为900％，邵氏硬度为00～30A；所述的相变液2为无水乙醇，浓度≥99.5％，无水乙醇在硅胶基体中的的质量分数为15％～35％；所述的导热率增强添加剂为金纳米粒子或氧化石墨烯，水溶性金纳米粒子，粒径20×40nm，长径比为2；氧化石墨烯：纯度：>99wt％，厚度：0.55～1.2nm，直径：0.5～3μm，层数：1-5层。3.根据权利要求1所述的一种柔性相变型人工肌肉材料，其特征在于：所述的加热电阻丝3直径为0.35mm，卷制为螺旋状后，螺旋处直径为6～10mm；所述的外层尼龙编织网，宽度为12～16mm，长度以包住材料为好，两端用扎带固定。4.一种柔性相变型人工肌肉材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：一、配置柔性基体材料称取一定量的的AB型硅胶，其中A：B体积...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁云虹，张云鹏，马愫倩，任雷，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22