磁性纱线、磁性织物、磁控机器人及其制备方法技术

本发明专利技术涉及磁性纱线、磁性织物及对其先编织后充磁、先充磁后编织两种方法得到的织物态磁控机器人，所述磁性纱线包括：纱线基材，所述纱线基材包括一根、两根或多根纱线单丝；和磁性颗粒，所述磁性颗粒分散在所述纱线基材中，所述磁性颗粒充磁后具有一定的剩磁场朝向，所述磁性颗粒在所述磁性纱线中所占的质量百分数为1‑75％。

【技术实现步骤摘要】
磁性纱线、磁性织物、磁控机器人及其制备方法
本专利技术涉及功能织物和软体机器人领域，具体涉及一种磁性纱线及由其制成的织物和以及该机器人制备方法。
技术介绍
传统刚体机器人在制造行业中被广泛使用，它们可以进行专门编程以有效地执行单个任务。但刚体机器人的缺点在于适应性非常有限。由于它们是由刚性链接和关节构成的，因此与人互动时不安全。一种常见的做法是将工厂中的人员和机器人工作区分开，以减轻安全隐患。传统致动机构中适应性的缺乏是该问题的一大部分。软体机器人是人机交互领域的热点研究之一。与坚固的机器人相比，软机器人的主体由本质上柔软且可扩展的材料(如硅胶)制成，它们可以变形并吸收碰撞产生的大部分能量。这些机器人具有可连续变形的结构，具有类似于生物系统的肌肉驱动，与刚体机器人相比，具有相对较大的自由度。它们展现出前所未有的适应性、敏感性和敏捷性。软体机器人的驱动方法包括腱驱动、智能材料，如形状记忆聚合物(SMP)、形状记忆合金(SMA)、气动纤维编织物、气动聚合物弹性体、水凝胶或电活性聚合物(EAP)。与电磁致动相比，所有这些方法在性能和可控性方面都存在局限。通常，磁性软体机器人通过使用外部磁场来控制聚合物基质中的磁性微粒来操作。通过改变这种磁场的方向和大小，可以控制可变形的磁性复合材料的扭矩、变形、伸长、收缩或弯曲。这些驱动结构可实现快速响应时间、高动态范围、小尺寸、高功率效率和低驱动电压(通常为0至30V)。磁性软体机器人已被成功地用于制造各种高性能的机电一体化和微型机器人系统，逐渐成为研究热点。r>中国专利CN110382338A公开了一种磁控多模态运动机器人。对加载有NdFeB微粒的软活性材料，如ECOFLEX、形状记忆合金、液态金属、硅橡胶、硅基材料、聚氨酯、软凝胶(水凝胶、油基凝胶、气凝胶)以及天然聚合物在外磁场环境下编程固化，其运动能力包括游泳、行走、翻转、爬行、滚动、潜水、浸入、浮现、跳跃、登陆、表面爬升、液弯月爬升、蹦、在限定空间内爬行，旋转，飞行，滑翔等。中国专利CN109866231A公开了一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人。通过外磁场环境下对水凝胶进行激光照射固化编程磁控水凝胶中纳米四氧化三铁的分布方向，对磁控水凝胶软体机器人进行差异化的设计，可以有效控制其不同部位的不同动作状态。在此基础上，中国专利CN110053020A公开了一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，通过磁场驱动含有磁性颗粒的温度响应的水凝胶变形。中国专利CN110076749A公开了一种仿水母磁控微型软体机器人。由头部和五条具有不同磁场方向的刚性活动臂由弹性筋连接而成；五条活动臂能够在外加磁场的作用下发生多自由度运动，包括夹持物体、爬行运动、滚动运动、水平拖动运动、螺旋式游泳运动以及张合式游泳运动六种运动模式。中国专利CN110216667A公开了一种磁控软体机器人的可控磁化系统。实现空间和时间均可控的磁场设计，包括：阵列式分布微型线圈和磁性纳米颗粒均匀分布固化于所述水凝胶基底构成磁控软体机器人，可实现局部磁化以及精准磁化控制。中国专利CN110722545A公开了一种三段式磁控微型软体爬行机器人。能够在交变磁场的驱动下实现爬行或转向运动。中国专利CN110783055A公开了一种公开了一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法。根据磁性软体机器人中的目标磁化路径，确定励磁单元的空间布局，设计对应构件，并将励磁单元嵌入到固定构件中；放电电容充电完毕后，触发导通放电开关，产生空间磁化磁场，导致磁性软体机器人内部将发生充磁或退磁。织物由于其良好的拉伸性、柔韧性以及穿戴舒适性，是材料科学和电子技术等跨学科领域研究中非常热门的器件基底材料，是极佳的技术载体。从机器人的角度，织物的易制造、易运输、高适应等特性是现有的机器人平台所不具有的。而在目前公开的磁控软体机器人相关专利中，其工艺平台都基于水凝胶、硅胶等材料的光固化平台，其器件形态单一，大大限制了其应用场景，同时，制造过程复杂、制造成本较高且规模化生产可能性较低。而将磁功能与成熟的纺织技术相结合，是面向高人机适应性的软体机器人的下一个发展机遇。
技术实现思路
针对现有基于磁功能的硅胶、水凝胶基软体致动技术结构编程过程复杂、器件形态单一、柔性不足、功能嫁接成本较高等问题，可以将传统织物作为载体，集成功能刺激响应材料(诸如磁性材料)来实现织物态机器人。此技术路线是发展下一代软体机器人的关键。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种磁性纱线、一种磁性织物、一种织物态磁性机器人以及该机器人的制备方法。本专利技术在第一方面提供了一种磁性纱线。在一个实施方式中，所述磁性纱线包括：纱线基材，所述纱线基材包括一根、两根或多根纱线单丝；和磁性颗粒，所述磁性颗粒分散在所述纱线基材中，所述磁性颗粒充磁后具有一定的剩磁场朝向，所述磁性颗粒在所述磁性纱线中所占的质量百分数为1-75％。在又一实施方式中，所述纱线基材选自由下述构成的组中的至少一种：聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、聚氯乙烯(PVC)纤维、聚氨酯(PU)纤维、聚酯(PES)纤维、聚乙烯(PE)纤维、聚酰胺(PA)纤维、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维、聚苯乙烯(PS)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维、聚乙二醇(PEG)纤维、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)纤维、棉纤维、粘胶纤维、苎麻纤维、汉麻纤维、羊毛纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维。在另一实施方式中，所述纱线基材的形态选自如下的至少一种：纱线单丝相互独立、纱线单丝拧成股线、纱线单丝相互盘绕、层级结构线。在再一实施方式中，所述磁性颗粒选自如下的至少一种：超顺磁性颗粒、顺磁性颗粒或铁磁性颗粒。在一个实施方式中，所述磁性颗粒的材料选自由下述构成的组中的至少一种：金属、金属氧化物、金属合金。在又一实施方式中，所述磁性颗粒的材料选自由下述构成的组中的至少一种：钕铁硼合金、钐钴合金、铁、钴、镍、四氧化三铁、三氧化二铁、镍钴合金、铁钴合金，最优选为钕铁硼永磁颗粒。在另一实施方式中，所述磁性颗粒的粒径为0.03-250μm，优选为0.1-220μm，0.5-200μm，1-180μm，5-160μm，10-120μm，20-100μm，40-80μm，或60-70μm。在再一实施方式中，所述纱线的细度范围为30-650tex，优选50-600tex，80-550tex，90-500tex，160-450tex，200-400tex，或250-300tex。在一个实施方式中，所述纱线的强度范围为30-1000MPa，优选50-900MPa，80-800MPa，100-700MPa，200-600MPa，300-500MPa，或350-400MPa。在又一实施方式中，所述纱线的弹性模量范围为1-200GPa，优选3-190GPa，10-180GPa，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性纱线，其特征在于，所述磁性纱线包括：/n纱线基材，所述纱线基材包括一根、两根或多根纱线单丝；和/n磁性颗粒，所述磁性颗粒分散在所述纱线基材中，所述磁性颗粒充磁后具有一定的剩磁场朝向，所述磁性颗粒在所述磁性纱线中所占的质量百分数为1-75％。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性纱线，其特征在于，所述磁性纱线包括：
纱线基材，所述纱线基材包括一根、两根或多根纱线单丝；和
磁性颗粒，所述磁性颗粒分散在所述纱线基材中，所述磁性颗粒充磁后具有一定的剩磁场朝向，所述磁性颗粒在所述磁性纱线中所占的质量百分数为1-75％。


2.根据权利要求1所述的磁性纱线，其特征在于，所述纱线基材选自由下述构成的组中的至少一种：聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、聚氯乙烯(PVC)纤维、聚氨酯(PU)纤维、聚酯(PES)纤维、聚乙烯(PE)纤维、聚酰胺(PA)纤维、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)纤维、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维、聚苯乙烯(PS)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维、聚乙二醇(PEG)纤维、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)纤维、棉纤维、粘胶纤维、苎麻纤维、汉麻纤维、羊毛纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维。


3.根据权利要求1所述的磁性纱线，其特征在于，所述纱线基材的形态选自如下的至少一种：纱线单丝相互独立、纱线单丝拧成股线、纱线单丝相互盘绕、层...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶光明，苏彬，夏治刚，向远卓，马庶祺，徐卫林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42