一种仿生机器鱼皮材料与一种仿生鱼制造技术

本发明专利技术提供了一种仿生机器鱼皮材料的制备方法，包括以下步骤：将蚕茧进行预处理，得到丝溶液，将所述丝溶液与诱导酶交联剂混合进行诱导酶交联，得到丝过氧化物酶凝胶前体溶液；将纤维进行缠绕，使纤维呈网状且单根纤维与水平轴的夹角为45°～55°或125°～135°，得到纤维模型；将所述丝过氧化物酶凝胶前体溶液浇注于所述纤维模型表面，凝胶后干燥，得到仿生机器鱼皮材料。本申请实现了丝状水凝胶与丝弹性纤维的复合，使得该材料制备的仿生机器鱼具有较好的生物兼容性、生物降解性和灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生机器鱼皮材料与一种仿生鱼
本专利技术涉及仿生材料
，尤其涉及一种仿生机器鱼皮材料与一种仿生鱼。
技术介绍
为了设计模仿长条鱼体柔韧性的软机器鱼，需要模仿它们身体特性的材料。丝绸是一种很好的材料，它是一种为材料设计提供生物兼容性、可降解性和机械鲁棒材料系统的聚合物。丝绸可以形成许多不同的形式，包括薄膜、凝胶、海绵、纤维和硬质材料。每一种形式都具有一系列机械特性，为仿生分层设计提供通用的构建块。丝绸拥有软机器鱼应用中的理想性能，可以完全降解，也可以与其他生物系统兼容，还可以装载药物。这些特性使得它成为生物医学领域中具有应用前景的一种材料，也使得它适合制作仿生机器鱼。水凝胶是通过化学或物理方式交联形成的三维高分子网络与水的集合体，含水量高达80％～95％，宏观上，水凝胶表现为固体的特性，能保持稳定的形状并在外力作用下产生很大的弹性变形。微观上，水凝胶内部的水分子可以自由扩散，具有物质传输的功能和优异的生物相容性。传统水凝胶的强度和韧性非常差，无法作为工程承载材料。20世纪60～80年代，水凝胶具有两大成功的商业应用，纸尿裤和隐形眼镜。纸尿裤芯体中含有的水凝胶材料具有高吸水性，能够吸收自身质量500倍的水分，其无毒且廉价的特性使其一经应用便广受欢迎。隐形眼镜的镜片含水量可高达60％，柔软有弹性，能够与角膜进行完美贴合，其良好的透氧性和生物相容性，使佩戴者使用时无明显异物感，但是由于其力学性能差，水凝胶制作的隐形眼镜仍存在易损、使用寿命短等问题。2003年，双网络韧性水凝胶的出现彻底改变了这一局面，其断裂韧性由豆腐的10J/m2量级提升到1000J/m2。2012年，Nature期刊报道的离子交联水凝胶的断裂韧性接近10000J/m2，达到了天然橡胶的级别，该凝胶在含有裂纹的条件下仍然可以被拉伸17倍而不会断裂。以上两种水凝胶内部含有两种不同的聚合物网络，即韧性的高交联度聚合物网络和脆性低交联度聚合物网络。当韧性水凝胶受到机械载荷时，脆性的聚合物网络发生断裂耗散能量，使其具有超高的断裂韧性。近年来，相继开发出各种各样的韧性水凝胶，比如温敏韧性水凝胶、电致响应韧性水凝胶、磁敏韧性水凝胶以及韧性水凝胶纤维等。人们在短短几年内发展出上百种水凝胶的增韧方法，伴随着新型材料的出现，具有全新功能的水凝胶器件层出不穷，包括药物运输、组织修复、光/温/PH响应仿肌肉驱动器、仿皮肤传感器、透明扬声器、仿神经的通讯电缆、可拉伸触摸屏以及可拉伸发光器件等。2013年Science期刊报道了由水凝胶作为电极、介电弹性体作为介电质的柔性透明离子扬声器，在水凝胶电极上加载电压时，其内部通过离子进行信息传导，将极性相反的离子汇聚在水凝胶与弹性体间的界面上，使介电弹性体薄膜产生不同频率的振动从而实现播放音乐的功能。该设计充分利用了韧性水凝胶的高透光性、离子导电性和可拉伸等优势。在自然界中，鱼类经历自然法则筛选和淘汰，进化出了合理巧妙的身体构造，游动能力也近乎完美。当前现有的水下航行器技术发展非常迅速，能量利用率和推进性能逐渐提高，但是在推进效率和机动灵活性方面还远远达不到真实鱼类的水平。鱼类在游动时，鱼体特殊的流线型结构可以很大程度的减少所受流体的阻力。另外，鱼身和鱼鳍配合运动，在鱼类快速游动时，鱼身体也会呈现平扁流线体、流线型，大大增加了鱼的推进效率。仿生机器鱼是通过以真实鱼类为蓝本，以鱼类的推进机理为参考，制作成的具有良好推进性能的水下机器人。传统的螺旋桨式水下航行器与仿生鱼相比，作业产生的噪声较大，影响水域环境；在推进性能方面，螺旋桨式航行器，推进效率低，灵活性能不足。纯机械式传动也存在诸多弊端。仿生机器鱼充分借鉴真实鱼类的鱼体波动与尾鳍摆动有机协调配合的运动机理，推进效率明显提高，推进性能也得到大大增强。许多自主水下航行器(AUV)也受到鱼类的启发。例如，Pilotfish是一个机器鱼，它可以使用排列在硬壳周围的柔性鳍极速地进行操纵。其他更传统的无人机，如OceanServerIver2(海洋服务器，Fall.MA，美国)、REMUS(伍兹霍尔海洋学研究所，WoodsHole，MA，美国)以及SUBMARAN(海洋航空，圣地亚哥，CA，美国)，其标准梭形体型设计的灵感即来自鱼类。最近有几项研究描述了相对较软的软体机器鱼。马尔切塞等使用液压致动器来弯曲软聚合物制作的鱼尾，推动3D打印的鱼头和鱼身在水里游动。埃斯波西托等通过对鲈鱼和蓝鳃等较硬的鱼进行改进专利技术了一种带有软鳍的柔性机器鱼；伊斯佩特等研发了一种模拟蝾螈的机器鱼，通过增加几个刚性部件使鱼体在陆地和水中能够滑动。上述机器鱼的设计灵感来自于真实的鱼，大多数鱼是相当灵活的动物，而这些机器鱼多数是由刚性材料制成的，模拟情况不是很理想，因此，设计一种由柔软且生物兼容性材料制成的机器鱼是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种仿生机器鱼皮材料的制备方法，该方法制备的仿生机器鱼皮材料具有较好的各向异性，且生物兼容性好。有鉴于此，本申请提供了一种仿生机器鱼皮材料的制备方法，包括以下步骤：将蚕茧进行预处理，得到丝溶液，将所述丝溶液与诱导酶交联剂混合进行诱导酶交联，得到丝过氧化物酶凝胶前体溶液；将纤维进行缠绕，使纤维呈网状且单根纤维与水平轴的夹角为45°～55°或125°～135°，得到纤维模型；将所述丝过氧化物酶凝胶前体溶液浇注于所述纤维模型表面，凝胶后干燥，得到仿生机器鱼皮材料。优选的，所述诱导酶交联剂为过氧化物酶和VI型冻干粉。优选的，所述纤维为弹性纤维或脱胶丝纤维。优选的，所述纤维为弹性纤维，所述弹性纤维的制备方法具体为：将甲基丙烯酸2-羟乙基酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸于分子筛中孵育，得到初始混合物；将所述初始混合物脱气后在硫酸铵水溶液和四甲基乙二胺中凝胶化，水化后得到水凝胶纤维片；将所述水凝胶纤维片在磷酸盐缓冲盐水中膨胀至平衡，并切割，得到纤维样品；将所述纤维样品在羰基二咪唑中反应，于水中冲洗后在胶原蛋白溶液中反应，再次冲洗后在羰基二咪唑中平衡，得到弹性纤维。优选的，所述纤维进行缠绕的过程具体为：将纤维分别在水平轴方向上向前、向后两个方向缠绕形成网状，且同一方向上的相邻纤维互相平行。优选的，所述预处理的过程具体为：将蚕茧与碳酸盐水溶液中提取，水洗后干燥，再溶于溴化锂溶液中静置后透析、离心、烘干。优选的，所述丝溶液的浓度为3～10wt％。优选的，所述浇注的过程具体为：将所述丝过氧化物酶凝胶前体溶液浇注到硅酮管中干燥，得到初处理丝过氧化物酶凝胶前体溶液；在模具底部覆盖聚二甲基硅氧烷，将纤维模型放置于模具中，将所述初处理丝过氧化物酶凝胶前体溶液浇注于纤维模型表面，凝胶后干燥。优选的，所述纤维模型中单根纤维与水平轴的夹角通过以下方式确定：收集多种细长鱼类，取出鱼皮清除色素后采用偏振光进行观察，测量所述鱼类纤维的角度；所述多种细长鱼类的数目＞2，所述细本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生机器鱼皮材料的制备方法，包括以下步骤：/n将蚕茧进行预处理，得到丝溶液，将所述丝溶液与诱导酶交联剂混合进行诱导酶交联，得到丝过氧化物酶凝胶前体溶液；/n将纤维进行缠绕，使纤维呈网状且单根纤维与水平轴的夹角为45°～55°或125°～135°，得到纤维模型；/n将所述丝过氧化物酶凝胶前体溶液浇注于所述纤维模型表面，凝胶后干燥，得到仿生机器鱼皮材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生机器鱼皮材料的制备方法，包括以下步骤：
将蚕茧进行预处理，得到丝溶液，将所述丝溶液与诱导酶交联剂混合进行诱导酶交联，得到丝过氧化物酶凝胶前体溶液；
将纤维进行缠绕，使纤维呈网状且单根纤维与水平轴的夹角为45°～55°或125°～135°，得到纤维模型；
将所述丝过氧化物酶凝胶前体溶液浇注于所述纤维模型表面，凝胶后干燥，得到仿生机器鱼皮材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述诱导酶交联剂为过氧化物酶和VI型冻干粉。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维为弹性纤维或脱胶丝纤维。


4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述纤维为弹性纤维，所述弹性纤维的制备方法具体为：
将甲基丙烯酸2-羟乙基酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸于分子筛中孵育，得到初始混合物；
将所述初始混合物脱气后在硫酸铵水溶液和四甲基乙二胺中凝胶化，水化后得到水凝胶纤维片；
将所述水凝胶纤维片在磷酸盐缓冲盐水中膨胀至平衡，并切割，得到纤维样品；
将所述纤维样品在羰基二咪唑中反应，于水中冲洗后在胶原蛋白溶液中反应，再次冲洗后在羰基二咪唑中平衡，得到弹性纤维。


5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，栾琳，季春霖，张美莹，
申请(专利权)人：杭州光启人工智能研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33