一种电学自修复人工肌肉纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电学自修复人工肌肉纤维及其制备方法，属于人工肌肉材料技术领域；所述纤维从内到外依次包括弹性硅胶层、内电极层、弹性硅胶层、准固态弹性体层、弹性硅胶层及外电极层；所述准固态弹性体层包括热塑性弹性体和填充于所述热塑性弹性体中的介电液；制备方法为：在热塑性纤维模板表面依次涂覆弹性硅胶，内电极和弹性硅胶，然后去除热塑性纤维模板，以此为收集模板，静电纺丝得到表面包覆热塑性弹性体的复合纤维，之后依次涂覆弹性硅胶和外电极，灌注介电液并封装即可；本发明专利技术提供的电学自修复人工肌肉纤维能量密度、功率密度和驱动频率高，具有电学自修复能力，不容易发生高压击穿失效，适用于类人机器人、智能假肢等应用。等应用。等应用。

【技术实现步骤摘要】
一种电学自修复人工肌肉纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于人工肌肉材料
，具体涉及一种电学自修复人工肌肉纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]动物肌肉能在生物电压刺激下将其自身储存的化学能(ATP)转化成机械能，引起肌肉纤维的收缩产生致动而对外做功。人工肌肉是人工合成的具有类似动物肌肉功能的材料和器件，能在外来刺激(包括光、电、磁、声、化学物质等)作用下产生致动作用。人工肌肉在构建高性能类人机器人、智能假肢、柔性外骨骼等方面有重要的应用。传统的机器人主要采用伺服电机、减速马达、液压、气动等方式来实现驱动，不可避免地需要使用刚性的部件。不仅笨重，而且产生的动作平稳性和柔顺性差，在构建软体类人机器人、柔性假肢及外骨骼方面没有优势。而基于柔性材料实现的人工肌肉可以很好地解决传统驱动方式存在的上述弊端，因此是类人机器人和智能假肢等应用的理想驱动方式。
[0003]人工肌肉的关键性能指标主要包括能量密度、功率密度、驱动频率、使用耐久性。除此之外也要考虑实现的难易程度和制造成本等因素。已有的人工肌肉主要包括形状记忆合金/聚合物人工肌肉、螺旋状聚合物纤维人工肌肉、碳纳米管纤维人工肌肉、液晶弹性体人工肌肉、介电弹性体人工肌肉、液压增强自修复静电驱动(HASEL)人工肌肉等类型。其中HASEL人工肌肉具有能量密度和功率密度大、驱动频率高、使用耐久性好、制造成本低等优良的综合性能，有巨大的实际应用潜力。HASEL人工肌肉的结构和工作原理如图1所示。HASEL也存在一些弊端，主要体现在：1.体积较大，液体的流动性会导致动作的不精确不稳定；2.难以制备具有更高应用价值的纤维形式人工肌肉；3.存在液体大量泄漏的风险。如何克服上述弊端是HASEL人工肌肉是否能实现实际应用的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种电学自修复人工肌肉纤维及其制备方法。本专利技术公开的人工肌肉具有纤维的形式，相比于已有的HASEL人工肌肉，具有更高的稳定性和动作准确性；相比于已有的纤维型人工肌肉，又具有更好的致动能力和电学自修复特性；相比于已有的人工肌肉纤维制备方法，本专利技术公开的制备方法可实现纤维功能层的层层制造，并与电极的印刷制备工艺兼容，在纤维结构控制方面具有更高的精确性和易操作性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种电学自修复人工肌肉纤维，从内到外依次包括弹性硅胶层、内电极层、弹性硅胶层、准固态弹性体层、弹性硅胶层及外电极层；所述准固态弹性体层包括热塑性弹性体和填充于所述热塑性弹性体中的介电液。
[0007]优选的，所述弹性硅胶层的原料包括Ecoflex或PDMS。
[0008]优选的，所述内电极层和外电极层均为柔性电极，所述内电极层和外电极层的原
料包括金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、液态金属或水凝胶；所述内电极层和所述外电极层的原料均为可以用浸渍提拉法进行涂覆的柔性导电材料。
[0009]优选的，所述热塑性弹性体的原料包括SBS、SEBS、SIS、SEPS、TPEE、TPU、TPO、TPV、TPB、TPI和TPAE中的一种或几种，所述热塑性弹性体为连通多孔结构。
[0010]优选的，所述介电液为具有高介电系数、高绝缘性、高击穿电压和低粘度的液体，包括变压器油、蓖麻油或菜籽油。
[0011]本专利技术还提供了一种上述电学自修复人工肌肉纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)在热塑性纤维模板表面依次涂覆弹性硅胶、内电极和弹性硅胶，然后去除热塑性纤维模板，得到复合纤维A；
[0013](2)以步骤(1)得到的复合纤维A为收集模板，静电纺丝得到表面包覆热塑性弹性体的复合纤维B，之后依次涂覆弹性硅胶和外电极，得到复合纤维C；
[0014](3)在步骤(2)得到的复合纤维C内灌注介电液并封装，即得所述电学自修复人工肌肉纤维。
[0015]优选的，步骤(1)中，所述热塑性纤维模板为亚克力中空纤维(PMMA，热塑性高分子聚甲基丙烯酸甲酯)；步骤(1)～(2)中所述涂覆均采用浸渍提拉法；步骤(1)涂覆内电极前及步骤(2)涂覆外电极前均首先进行等离子体溅射处理。
[0016]涂覆电极前对复合纤维进行等离子体溅射处理，使纤维表面与柔性电极前驱液具有足够的亲润性。
[0017]优选的，步骤(1)中，采用有机溶剂浸泡法去除热塑性弹性模板，所述有机溶剂对所述热塑性纤维模板有良好溶解性；当所述热塑性纤维模板为PMMA时，所述有机溶剂包括二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、二甲基甲酰胺或四氢呋喃；步骤(3)中，采用浸泡吸入法灌注介电液。
[0018]本专利技术还提供了上述电学自修复人工肌肉纤维在制备智能驱动装置和机构中的应用。
[0019]优选的，所述智能驱动装置和机构包括类人机器人和智能假肢。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术提供的自修复人工肌肉纤维为中空的具有多层同心结构的复合纤维。由内而外最内层为弹性硅胶、第二层为柔性内电极、第三层为弹性硅胶、第四层为准固态弹性体(即：连通多孔结构的热塑性弹性体和填充在多孔结构中的介电液)、第五层为弹性硅胶、第六层为柔性外电极。当内外层电极之间施加高压电场的时候，由于麦克斯韦力的作用纤维发生径向膨胀和轴向收缩，从而产生致动作用。
[0022]现有的纤维状人工肌肉材料主要是热响应型人工肌肉纤维，尽管能量密度和功率密度高，但是驱动频率很低，并且没有电学修复能力(很容易高压击穿失效)，难以应用于类人机器人、智能假肢等。本专利技术提出的固
‑
液复合型人工肌肉纤维为电驱动型人工肌肉，介电液填充在弹性体基质的连通多孔结构中，不仅能量密度、功率密度和驱动频率高，而且具有电学自修复能力，不容易发生高压击穿失效，适用于类人机器人、智能假肢等应用。
[0023]HASEL人工肌肉虽然具有高能量密度、高功率密度和高驱动频率，且具有电学自修复能力，但动作不稳定、不精确，且难以加工成纤维形式。本专利技术提出的固
‑
液复合人工肌肉不仅具有纤维的形式，而且由于连通多孔介电弹性体的支撑作用，以及微米尺度的多孔结
构对介电液能够产生较大的毛细力，对介电液产生较强的吸附作用，使液体不能自由流动，从而使其同时具备良好的动作稳定性、准确性和电学自修复能力。因此，本专利技术提供的人工肌肉纤维具有更好的应用前景。
[0024]本专利技术提出的人工肌肉纤维的制备方法结合了增材制造和印刷法的优点，可以精确地实现纤维各功能层的叠层制造；并且纤维的内外电极为同轴结构的设计，可以更好地将电能转化为机械能。实际使用中可将内电极作为高压正极，以使其具有更好的安全性(内电极在纤维内部，起到很好的绝缘隔离作用)。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电学自修复人工肌肉纤维，其特征在于，从内到外依次包括弹性硅胶层、内电极层、弹性硅胶层、准固态弹性体层、弹性硅胶层及外电极层；所述准固态弹性体层包括热塑性弹性体和填充于所述热塑性弹性体中的介电液。2.根据权利要求1所述的电学自修复人工肌肉纤维，其特征在于，所述弹性硅胶层的原料包括Ecoflex或PDMS。3.根据权利要求1所述的电学自修复人工肌肉纤维，其特征在于，所述内电极层和外电极层均为柔性电极，所述内电极层和外电极层的原料包括金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、液态金属或水凝胶。4.根据权利要求1所述的电学自修复人工肌肉纤维，其特征在于，所述热塑性弹性体的原料包括SBS、SEBS、SIS、SEPS、TPEE、TPU、TPO、TPV、TPB、TPI和TPAE中的一种或几种，所述热塑性弹性体为连通多孔结构。5.根据权利要求1所述的电学自修复人工肌肉纤维，其特征在于，所述介电液包括变压器油、蓖麻油或菜籽油。6.一种权利要求1～5任一项所述的电学自修复人工肌肉纤维的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志军，祁源，田祥岭，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：