一种水凝胶界面粘接强度的调控方法技术

本公开提供一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，包括：结合有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量，得到水凝胶内离子扩散系数；将离子浓度饱和的第一水凝胶与无可自由移动离子的第二水凝胶粘接，并建立相应的电路模型；根据扩散系数、电路模型结合实验测量的电流数据、粘接强度数据，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系；根据电流数据计算得到水凝胶界面的离子等效电荷量，从而得到水凝胶粘接界面区域离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。本公开通过将理论模拟与实验数据结合，最终得到水凝胶粘接区域内离子含量与粘接强度的关系，进而指导精准控制水凝胶粘接强度，在水凝胶智能粘附、微结构精准控制等领域具有潜在应用价值。具有潜在应用价值。具有潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶界面粘接强度的调控方法


[0001]本公开涉及生物材料
，具体涉及一种水凝胶界面粘接强度的调控方法。

技术介绍

[0002]能够响应外部刺激的可调控水凝胶粘附在工业、生物医学、机器人应用领域已引起广泛的关注。迄今为止，电控水凝胶粘附提供了在电场作用下两个水凝胶表面之间吸引力高效精准的控制方法。与现有的调控水凝胶界面粘接的机制相比，电控粘附拥有几个优点，例如对界面粘附力的精确控制、快速响应、无残余应力、运行无噪音和能耗低等。值得注意的是，由于电控粘接具有敏感度高与可编程自动化调控的特点，并且结合其自身尺寸小、重量轻的优势，在软材料夹具、攀爬机器人、触觉传感器等领域内拥有广泛的应用潜力。
[0003]然而，当前基于电导体和绝缘层的电控粘合剂通常需要在几千伏范围内施加的电压，除了存在安全问题和需要与高压兼容的专用电路元件外，容易导致介质击穿和相应的不可逆器件故障。为了降低电控粘接的工作电压，其主要技术手段是减少电粘合剂的介电层厚度。但是随着介电层厚度的降低，可靠地制造具有高粘接强度且无结构缺陷的水凝胶粘接结构具有很高的难度，并且以往使用介电粘合剂依然无法将电压降低至人体安全电压范围内。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]针对上述问题，本公开提供了一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，用于至少部分解决传统的电控水凝胶方法工作电压高、使用场景受局限等的技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开提供了一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，包括：结合有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量，得到水凝胶内离子扩散系数；将离子浓度饱和的第一水凝胶与无可自由移动离子的第二水凝胶粘接，并建立相应的电路模型；根据扩散系数、电路模型结合实验测量的电流数据、粘接强度数据，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系；根据电流数据计算得到水凝胶界面的离子等效电荷量，从而得到离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。
[0008]进一步地，结合有限元模拟水凝胶内的离子含量包括：使用有限元方法计算水凝胶在饱和离子溶液中，水凝胶区域内离子总量随时间变化的情况。
[0009]进一步地，使用有限元模拟包括：离子从饱和溶液中向水凝胶区域内的扩散过程描述为：
[0010][0011]其中，t表示时间，c
ion
表示水凝胶内部某点可自由移动离子的浓度，D
ion
为可自由移动离子在水凝胶中的扩散系数。
[0012]进一步地，使用有限元模拟还包括：使用式II计算相应时间点的水凝胶中离子浓度数据c
i
(i＝1，2，3...N)：
[0013][0014]其中，Ω表示水凝胶区域，V
gel
表示水凝胶体积。
[0015]进一步地，得到水凝胶内离子扩散系数包括：将有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量得到结果进行比较，当
[0016][0017]时，即可分别得到离子在第一水凝胶、第二水凝胶中的扩散系数D
ionA
、D
ionB
，
[0018]其中，
[0019][0020]表示实验测定的水中离子浓度平均值；C
i
(i＝1，2，3...N)为实验测量的水凝胶内浓度的数据；argmax是表示对后面方括号内的函数表达式针对不同离子浓度进行计算并求得最大值；R2是对有限元数据与实验测量数据的吻合度的评估值。
[0021]进一步地，建立相应的电路模型包括：建立相应的时域与拉式域电路模型，该电路模型包含第一水凝胶的自身电阻、第二水凝胶的自身电阻、水凝胶界面的电阻与电容。
[0022]进一步地，根据扩散系数、电路模型得到电流数据包括：通过拉式域电路模型根据基尔霍夫定律建立表达式，计算得到：
[0023][0024][0025]其中，I
s
(s)与分别是干路电流I(t)和第一水凝胶与第二水凝胶的组合结构局部电流在拉式域的表达式；E为电路模型等效电动势；s为拉式域的复参变量，Q
C0
表示第一水凝胶与第二水凝胶粘接部分的电容初始电荷量；R
A
为第一水凝胶等效电阻，R
B
为第二水凝胶等效电阻，R
C
为水凝胶界面的等效电阻，C为水凝胶界面的等效电容。
[0026]进一步地，根据扩散系数、电路模型得到电流数据还包括：根据式V、式VI做拉式逆变换，得到时域空间内电流I(t)、从而得到电容器充电电流I
C
(t)为：
[0027][0028]其中，t为从粘接开始计算的时间。
[0029]进一步地，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系包括：结合实验测
量的粘接强度与式
Ⅶ
中所得的电容器充电电流的计算结果，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系。
[0030]进一步地，离子等效电荷量的表达式为：
[0031][0032]根据不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系得到离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。
[0033](三)有益效果
[0034]本公开实施例提供的一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，通过将理论模拟与实验数据结合，建立了描述离子在粘接水凝胶内受浓度梯度场与电场驱动而迁移的电路模型，通过实验测量得到的电流与粘接强度数据与理论模型计算结果进行对比，最终得到水凝胶粘接区域内离子含量与粘接强度的关系曲线，进而指导精准控制水凝胶粘接强度，在水凝胶智能粘附、微结构精准控制等领域具有潜在应用价值。为电粘附提供了新的基础见解，提供了一种使用施加的电位快速和可逆地控制粘附的简单途径，在软材料夹具、攀爬机器人、触觉传感器等领域内拥有广泛的应用潜力。
附图说明
[0035]图1示意性示出了根据本公开实施例中水凝胶界面粘接强度的调控方法的流程图；
[0036]图2示意性示出了根据本公开实施例中基于电驱动离子扩散效应的水凝胶界面粘接调控方法的完整流程示意图；
[0037]图3示意性示出了根据本公开实施例中离子在水凝胶中迁移的渗透系数测量示意图；
[0038]图4示意性示出了根据本公开实施例中离子在水凝胶中扩散系数的确定结果图；
[0039]图5示意性示出了根据本公开实施例中电控粘接水凝胶示意图；
[0040]图6示意性示出了根据本公开实施例中实验测量不同通电条件下水凝胶粘接强度结果；
[0041]图7示意性示出了根据本公开实施例中水凝胶粘接电控电路示意图；
[0042]图8示意性示出了根据本公开实施例中实验测量电流与理论模型计算对比图；
[0043]图9示意性示出了根据本公开实施例中水凝胶粘接离子作用区域电荷量与粘接强度关系曲线。
具体实施方式
[0044]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，其特征在于，包括：结合有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量，得到水凝胶内离子扩散系数；将离子浓度饱和的第一水凝胶与无可自由移动离子的第二水凝胶粘接，并建立相应的电路模型；根据所述扩散系数、所述电路模型结合实验测量的电流数据、粘接强度数据，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系；根据所述电流数据计算得到水凝胶界面的离子等效电荷量，从而得到所述离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。2.根据权利要求1所述的水凝胶界面粘接强度的调控方法，其特征在于，所述结合有限元模拟水凝胶内的离子含量包括：使用有限元方法计算水凝胶在饱和离子溶液中，水凝胶区域内离子总量随时间变化的情况。3.根据权利要求2所述的水凝胶界面粘接强度的调控方法，其特征在于，所述使用有限元模拟包括：所述离子从饱和溶液中向所述水凝胶区域内的扩散过程描述为：其中，t表示时间，c
ion
表示水凝胶内部某点可自由移动离子的浓度，D
ion
为可自由移动离子在水凝胶中的扩散系数。4.根据权利要求3所述的水凝胶界面粘接强度的调控方法，其特征在于，所述使用有限元模拟还包括：使用式II计算相应时间点的水凝胶中离子浓度数据c
i
(i＝1，2，3...N)：其中，Ω表示水凝胶区域，V
gel
表示水凝胶体积。5.根据权利要求4所述的水凝胶界面粘接强度的调控方法，其特征在于，所述得到水凝胶内离子扩散系数包括：将有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量得到结果进行比较，当时，即可分别得到离子在第一水凝胶、第二水凝胶中的扩散系数D
ionA
、D
ionB
，其中，其中，表示实验测定的水中离子浓度平均值；C
i
(i＝1，2，3...N)为实验测量的水凝胶内浓度的数据；argmax是表示对后面方括号内的函数表达式针对不同离子浓度进行计算并求得最大值；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建永，汪溥頔，刘雅倩，苏醒，冀国俊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：