一种实现气-液界面三维运动的软机器人及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种实现气

【技术实现步骤摘要】
一种实现气
‑
液界面三维运动的软机器人及其制备方法


[0001]本专利技术属于机器人领域，特别涉及一种实现气
‑
液界面三维运动的软机器人及其制备方法。

技术介绍

[0002]智能机器人的快速发展正在给我们的生活带来一场革命。然而，传统的机器人技术通常需要刚性电机泵来提供能量，并且极大地限制了自由度，从而限制了它们对环境的适应性。因此，非常需要具有高自由度的软机器人。然而，现有软机器人的运动通常仅限于特定的固体或流体介质。由于不平衡的力学环境，在两相(空气
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水)界面的高自由度的运动仍然是一项艰巨的挑战。尽管付出了巨大的努力，但目前仍然局限在两相界面的的二维运动(X和Y轴)，三维运动(X、Y和Z轴)未被实现。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种实现气
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液界面三维运动的软机器人及其制备方法，克服现有技术软机器人无法实现气
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液界面的三维运动的技术问题。
[0004]本专利技术的一种全柔性软体机器人，所述机器人以含液晶基元、碳纳米管的墨水，通过3D打印和紫外光固化获得。
[0005]本专利技术的一种实现气
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液界面三维运动的软机器人，所述软机器人的构成包括：具有可控取向的液晶弹性体/碳纳米管复合物；
[0006]其中所述液晶弹性体结构式为：
[0007][0008]其中n≥1的整数。
[0009]进一步地，所述软机器人由下列方法制备：
[0010]将液晶基元、碳纳米管加热至液晶转变温度以上，加热，搅拌，得到液晶预聚物墨水；将墨水装入打印机料筒，通过直接墨水书写式对墨水进行取向，后经过紫外光固化得到具有可控取向的液晶弹性体碳纳米管复合物。
[0011]本专利技术的一种实现气
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液界面三维运动的软机器人的制备方法，包括：
[0012](1)将1,4
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双
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[4
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(6
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丙烯酰氧基)苯甲酰氧基]‑
2甲基苯(RM82)、正丁胺、光引发剂、碳纳米管混合，加热，充分搅拌，反应，得到液晶/碳纳米管预聚物打印墨水；
[0013](2)将步骤(1)中的液晶/碳纳米管打印墨水采用3D打印机进行编程，一边挤出对墨水进行取向一边通过紫外光进行光固化，得到实现气
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液界面三维运动的软体机器人。
[0014]所述步骤(1)中碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管；光引发剂为安息香二乙醚。
[0015]所述步骤(1)中1,4
‑
双
‑
[4
‑
(6
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丙烯酰氧基)苯甲酰氧基]‑
2甲基苯(RM82)、正丁胺的摩尔比为1～1.5:1～1.5；其中光引发剂占总反应单体质量的1～5wt％；碳纳米管占总反应单体质量的0.5～2wt％。
[0016]所述步骤(1)中加热为加热至液晶转变温度100～110℃；所述反应为100～110℃加热搅拌反应18
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22h。
[0017]所述步骤(2)中3D打印具体为：
[0018]使用直接墨水书写式3D打印机在打印过程之前，系统在打印温度50～65℃下保持20～60min；在打印过程中，打印速度在5～12mm/s，挤出的油墨暴露在紫外光下；打印完成后，再暴露在紫外线20～40min，得到交联结构的液晶弹性体。
[0019]进一步地，所述步骤(2)中3D打印具体为：
[0020]使用直接墨水书写式3D打印机对液晶/碳纳米管预聚物打印墨水在液晶畴进行取向。直接墨水书写是使用三轴运动控制平台(Aerotech Inc.)进行挤出设计。根据编程的G代码(Mecode)，使用Ultimus V压力盒(Nordson EFD)通过压力驱动挤出油墨。3D打印机的挤出头由一个钢桶组成，周围是一个带有热电偶(K型)的加热线圈。为了使系统达到稳态操作条件，在打印过程之前，系统在打印温度50～65℃下保持约30分钟。在打印过程中，打印速度确定在5～12mm/s，挤出的油墨暴露在紫外光下。此外，可以修改G代码设计建模和控制打印参数。打印后，LCE再暴露在更高强度的紫外线20～40min(顶部和底部各10～20min)以实现均匀交联并促进软体机器人从基材上的释放。
[0021]所述打印时紫外光照射功率为5～20mW/cm2；打印完成后，紫外光照射功率为20～40mW/cm2。
[0022]本专利技术的一种所述方法制备出具有气
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液界面三维运动的软机器人。
[0023]本专利技术的一种所述气
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液界面三维运动的软机器人的应用，如药物运输，封闭管道运输、智能运输等。
[0024]本专利技术的液晶弹性体墨水主要是是通过aza
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Michael加成反应，由双丙烯酸酯基液晶基元和正丁胺合成，为了避免干燥过程中溶剂损失引起的体积变化和残余应力，采用无溶剂反应方法提高液晶弹性体的分子量，可以最大限度地提高潜在的驱动应变。紫外线照射下，反应性丙烯酸酯端基反应交联形成液晶弹性体(LCEs)(图6)。
[0025]本专利技术中液晶弹性体用作基质以提供高自由度和可重复的变形。液晶介元通过直接墨水书写定向，实现可编程变形。碳纳米管(CNTs)的加入可以实现近红外光响应，远程控制和软机器人的持续能源供应。因此，由液晶弹性体
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碳纳米管复合墨水(LCE/CNTs)构成的仿生叶甲幼虫软体机器人可以在近红外(NIR)照射下显示出不对称的几何形状变化，可以改变液
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固
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气三相线的倾斜角，成功实现多模态运动(前进，后退，旋转)的同时，实现两相界面的三维翻转以及封闭玻璃管内的运动(如图1D，图4H所示)。为两相界面的软机器人的发展开辟新道路。
[0026]本专利技术受叶甲幼虫的启发，采用沿水面和固体表面的三相接触线机理。通过使用光响应液晶弹性体/碳纳米管的复合材料3D打印出全柔性软机器人，以模拟叶甲幼虫在水
面上的运动。首次实现了仿生叶甲幼虫软体机器人复杂的三维运动，包括在气
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液界面的翻转和卷起。此外，软机器人采用光远程驱动实现精确的时空控制，这为应用提供了很大的优势。作为一个例子，我们展示了软机器人在封闭管道内的可控运动，这将用于药物输送和智能运输。
[0027]有益效果
[0028]本专利技术实现了全柔性软体机器人在气
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液界面的三维运动。LCE/CNTs复合材料与3D打印技术相结合构造的软体机器人，实现运动的高自由度和可编程性，包括在气液界面处实现了前进、后退、旋转、三维翻转。此外，基于可光加热材料的软体机器人可以在红外光照下实现远程可控和持续的能量供应。不仅如此，通过结合各种功能性填充物或编程方向，可以进一步改变运动。这项工作中开发的设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现气
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液界面三维运动的软机器人，其特征在于，所述软机器人材料组分包括：具有可控取向的液晶弹性体/碳纳米管复合物；其中所述液晶弹性体结构式为：其中所述液晶弹性体结构式为：其中n≥1的整数。2.一种实现气
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液界面三维运动的软机器人的制备方法，包括：(1)将1,4
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双
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[4
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(6
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丙烯酰氧基)苯甲酰氧基]
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2甲基苯(RM82)、正丁胺、光引发剂、碳纳米管混合，加热，充分搅拌，反应，得到液晶/碳纳米管预聚物打印墨水；(2)将步骤(1)中的液晶/碳纳米管预聚物打印墨水采用3D打印机，一边挤出对墨水进行取向一边通过紫外光进行光固化，得到实现气
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液界面三维运动的软机器人。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管；光引发剂为安息香二乙醚。4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中1,4
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双
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[4
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【专利技术属性】
技术研发人员：游正伟，王洋，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：