可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法技术

本发明专利技术涉及一种可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法。该柔性致动器包括由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷上下叠置形成的柔性双层膜，以及石蜡结构。柔性双层膜以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称。柔性双层膜包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于对称面。柔性双层膜在自然状态下沿着对称面的延伸方向呈卷曲状态，以形成开口向下的“C”型结构。石蜡结构呈条带状并附着在碳纳米管层表面。当柔性双层膜处于平铺状态时，石蜡结构的延伸方向与首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[

【技术实现步骤摘要】
可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法


[0001]本专利技术涉及柔性致动器
，特别是涉及一种可再编程柔性致动器，以及该可再编程柔性致动器的制备方法，还涉及该可再编程柔性致动器的驱动方法。

技术介绍

[0002]近年来，仿生软致动器因其优异的柔韧性和可操作性而得到广泛研究，显示出巨大的潜力和广阔的应用前景。随着仿生学研究的不断发展，该领域取得了丰硕的成果，推动了仿生研究的进步，特别是在仿生机器人方面。通过模仿各种生物模型，出现了许多仿生机器人，如硬机器人，连续体机器人和柔性机器人。而其中的柔性机器人可以很容易地表现出类似肌肉的运动，更好地模仿软体生物系统的运动，从而可以根据材料本身的各项特性实现复杂的运动和完成特定的任务。
[0003]目前的部分柔性机器人技术是将双层膜结构作为光热响应执行器，通过将外界的光热刺激转换为机械变形输出，进而实现多种致动功能。然而现有的柔性驱动器常采用单一双层膜结构，这种双层膜结构的运动能力有限，有时需要破坏膜层的表面形成沟槽以达到理想的运动效果。因此，在不破坏材料本身的情况下，单一的双层膜存在运动规律固定，无法满足实际应用中的各种致动需求，另外，致动器在膜层破坏之后也不能进行再次编程，在无损伤编程和重新编程上具有很大的局限性。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对现有技术中，单个柔性致动器的运动形式单一且无法重新编程的技术问题，本专利技术提供一种可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法。
[0005]本专利技术公开一种可再编程柔性致动器，其包括由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷上下叠置形成的柔性双层膜，以及至少一处石蜡结构。柔性双层膜以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称。柔性双层膜包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于对称面。柔性双层膜在自然状态下沿着对称面的延伸方向呈卷曲状态，以此形成开口向下的“C”型结构。石蜡结构呈条形的带状并附着在碳纳米管层的上表面。其中，当柔性双层膜处于平铺状态时，石蜡结构的延伸方向与首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[
‑
30
°
，60
°
]，且首端和末端的长度均大于石蜡结构的宽度。
[0006]作为上述方案的进一步改进，柔性双层膜在处于平铺状态时呈长方形或等腰梯形。
[0007]其中，在平铺状态下的柔性双层膜为长方形时，长方形中较短的相对两侧分别构成首端和末端。在平铺状态下的柔性双层膜为等腰梯形时，等腰梯形中的下底和上底分别构成首端和末端。
[0008]作为上述方案的进一步改进，在平铺状态下的柔性双层膜为长方形时，石蜡结构的宽度与长方形较短边的长度之间的比例为1:8。
[0009]在平铺状态下的柔性双层膜为等腰梯形时，石蜡结构的宽度与等腰梯形的下底长
度之间的比例为1:8。
[0010]作为上述方案的进一步改进，石蜡结构的厚度为48
‑
54μm。
[0011]本专利技术还公开一种可再编程柔性致动器的制备方法，其用于制备上述任意一项可再编程柔性致动器。制备方法包括以下步骤：
[0012]S1.提供特定形状及尺寸的柔性双层膜。其中，柔性双层膜由上下叠置的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷组成。
[0013]S2.将预设量的熔融石蜡附着在平铺状态下的柔性双层膜的碳纳米管层表面，经冷却后凝结成固态的石蜡层。
[0014]S3.获取目标石蜡图案并以此通过红外纳秒激光在石蜡层上扫描，对目标石蜡图案以外的石蜡层进行蒸发清除，进而在碳纳米管层的表面生成目标图案的石蜡结构。
[0015]作为上述方案的进一步改进，S1中，通过在一个纳秒激光加工系统的操作界面中绘制特定形状和尺寸的双层膜平铺图案，并导入标刻软件上，然后通过系统的激光器对平铺状态的柔性双层膜基材发射激光光束，以裁切加工出特定形状及尺寸的柔性双层膜。
[0016]作为上述方案的进一步改进，S1中，激光器的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100KHz。
[0017]作为上述方案的进一步改进，S3中，红外纳秒激光的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100KHz，激光功率为24W，加工速度为3500mm/s，扫描间距为1μm。
[0018]作为上述方案的进一步改进，S2中，在进行碳纳米管层表面的石蜡附着之前，还在熔融石蜡中混合黑色石蜡色素并搅拌。其中，黑色石蜡色素和熔融石蜡的质量比为1:8。
[0019]本专利技术还公开一种柔性致动器的驱动方法，其用于驱使上述任意一项可再编程柔性致动器进行爬行运动。驱动方法包括以下步骤：
[0020]将柔性致动器以“C”型结构开口向下的自然状态放置在载台上。
[0021]利用近红外激光对柔性致动器进行扫描照射。其中，近红外激光的光斑落在碳纳米管层上表面，并从柔性双层膜的末端中点开始，沿着对称面投影在碳纳米管层上表面所形成的曲线移动至首端中点，以此实现单次的扫描照射。
[0022]与现有技术相比，本专利技术公开的技术方案具有如下有益效果：
[0023]1、本专利技术提供的可再编程操纵柔性致动器，通过在柔性结构上施加各向异性结构(即石蜡结构)，可改变柔性致动器的运动轨迹。相较于传统单一的双层膜运动规律固定，且在不破坏柔性双层膜材料本身的情况下，难以满足实际作业的各种需求。本专利技术通过给柔性材料施加不损伤自身结构的各向异性结构，更好地在保护柔性结构的情况下，进行可编程操纵。而石蜡的高温清除、常温凝固特性使致动器的可再编程灵活性更具优势，通过对致动器上添加或清除石蜡，可以让同一致动器实现不同的运动方式，不仅编程效率大大提升，也是对工作效率的极大提升。这对软致动器方向的研究具有重大意义。
[0024]2.本专利技术提出的利用纳秒激光加工工艺在光热响应材料上黏附软外壳结构来制备柔性致动器的方法具有低成本、简洁和无损的特点。该致动器可实现爬行功能，通过调节石蜡结构的宽度和倾斜角可以控制爬行速度和偏移方向，改变了其原本单一的运动策略。与传统致动器相比，能够更积极地应对复杂环境变化，并且通过全光控无接触操纵，编程效率大大提升。将为具有多功能和复杂变形的可重编程、自修复和光驱动软机器人开辟一条新的道路，在未来智能机器人和仿生领域具有重大的启发意义和应用。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例1中的可再编程柔性致动器的立体结构示意图；
[0026]图2为图1中柔性致动器在平铺状态下的俯视示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例2中的纳秒激光加工系统的示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例2中加工柔性双层膜时的示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例2中制备石蜡时的示意图；
[0030]图6为本专利技术实施例2中利用纳秒激光器清楚多余石蜡层的示意图；
[0031]图7为本专利技术实施例2中柔性致动器的驱动示意图；
[0032]图8为本专利技术实施例2中不同柔性致动器的运动轨迹示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可再编程柔性致动器，其包括由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷上下叠置形成的柔性双层膜，其特征在于，所述柔性双层膜以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称；所述柔性双层膜包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于所述对称面；所述柔性双层膜在自然状态下沿着所述对称面的延伸方向呈卷曲状态，以此形成开口向下的“C”型结构；所述可再编程柔性致动器还包括至少一处石蜡结构；所述石蜡结构呈条形的带状并附着在碳纳米管层的上表面；其中，当所述柔性双层膜处于平铺状态时，所述石蜡结构的延伸方向与所述首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[
‑
30
°
，60
°
]，且所述首端和所述末端的长度均大于所述石蜡结构的宽度。2.根据权利要求1所述的可再编程柔性致动器，其特征在于，所述柔性双层膜在处于平铺状态时呈长方形或等腰梯形；其中，在平铺状态下的所述柔性双层膜为长方形时，长方形中较短的相对两侧分别构成所述首端和所述末端；在平铺状态下的所述柔性双层膜为等腰梯形时，等腰梯形中的下底和上底分别构成所述首端和末端。3.根据权利要求2所述的可再编程柔性致动器，其特征在于，在平铺状态下的所述柔性双层膜为长方形时，所述石蜡结构的宽度与长方形较短边的长度之间的比例为1:8；在平铺状态下的所述柔性双层膜为等腰梯形时，所述石蜡结构的宽度与等腰梯形的下底长度之间的比例为1:8。4.根据权利要求1所述的可再编程柔性致动器，其特征在于，所述石蜡结构的厚度为48
‑
54μm。5.一种可再编程柔性致动器的制备方法，其特征在于，其用于制备如权利要求1至4中任意一项所述的可再编程柔性致动器；所述制备方法包括以下步骤：S1.提供特定形状及尺寸的柔性双层膜；其中，所述柔性双层膜由上下叠置的碳纳米管和聚二甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨初，赵杰，王进，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：