【技术实现步骤摘要】
本专利技术特别涉及一种具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器及其应用，属于气动致动器领域和传感器领域。
技术介绍
1、软体致动器由于精巧灵活、形状多变、功率重量比大而受到广泛关注，现如今已逐渐应用于仿生机器人、机器抓手、人工智能等领域。尤其是具备自感知功能的软体致动器，它能够在一个系统中实现感知和变形的协同作用，向外界传递自身形变信息。然而现有的具备自感知功能的柔性致动器的形变结构单一，使得其难以获取自身复杂多变的三维形变信号。因此开发一种高效的方法，赋予软体致动器多级形变功能并展现出灵敏的自感知行为对于软体致动器的发展具有重大意义。
2、在传统的策略中，研究人员往往通过采用具有柔顺性和可拉伸性的弹性体材料作为软体致动器的致动薄膜。cn 111002342a公开了一种软体致动器及其软体机器人，引入硬度大于致动薄膜的支撑侧壁，所制备的软体致动器结构简单、形状适应性强。cn113651988a公开了一种弹性模量可调节的致动器薄膜、制备方法及其柔性致动器，制备得到的致动器薄膜具有图案化区域和基底区域，在气体驱动下具有丰富多样的变形行为。y.liang等人制备了超薄的聚二甲基硅氧烷(pdms)和碳纳米管janus膜，当复合薄膜发生三维形变时，负载在聚pdms弹性体上的导电网络发生相应的拉伸或收缩，根据压阻传感机理，使得软体致动器能够实现对变形行为的实时监测。
3、然而，尽管当前的软体致动器可以实现复杂多变的三维形变，但其无法高效获取自身的形变信号尤其是识别多级形变的出现。虽然具备自感知功能的柔性致动器已经出现
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器及其应用，该自感知三维软体致动器的驱动形态多样，且能够实时感知自身的三维形变程度，并且在自身发生多级大形变时产生响应预警信号，从而克服现有技术中的不足。
2、随着气压等外部刺激(外部刺激还可以是水压等)的增加，本专利技术提供的一种具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，可以表现出多级的驱动行为，这些驱动行为能够被自身的传感结构捕捉并反馈出不同的电信号，该自感知三维软体致动器结构可设计性强、具有视觉/信号双重预警功能，可应用于环境监测、软体机器人等领域。
3、为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
4、本专利技术一方面提供了一种具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，包括致动薄膜，所述致动薄膜包括弹性基底和导电结构层，所述弹性基底具有至少两个形变区域，至少两个所述形变区域能够在外部刺激下发生三维形变，且在相同的外部刺激下，至少两个所述形变区域的三维形变尺度不同，至少一所述形变区域在不同的外部刺激下的最大三维形变尺度不同；
5、所述导电结构层对应设置在所述弹性基底的至少两个所述形变区域上，并能够随所述弹性基底同步发生三维形变，且当所述导电结构层发生三维形变时，所述导电结构层的电信号随之变化。
6、进一步的，所述致动薄膜还包括应变限制结构，所述弹性基底具有一个第一区域、m个第二区域和n个第三区域，所述第二区域和所述第三区域均是环绕所述第一区域设置的环形区域，且所述第二区域和所述第三区域沿远离所述第一区域的方向依次交替设置，其中，所述第一区域和所述第三区域为所述形变区域，所述应变限制结构固定设置在所述第二区域，且所述应变限制结构的杨氏模量大于所述弹性基底的杨氏模量，m，n为大于等于1的整数。
7、进一步的，所述导电结构层与所述应变限制结构背对设置在所述弹性基底的两侧。
8、进一步的，其中一所述第二区域设置在所述第一区域与一所述第三区域之间，即m个第二区域和n个第三区域中最靠近所述第一区域的是一第二区域。
9、进一步的，所述第一区域的最大三维形变尺度大于所述第三区域的最大三维形变尺度。
10、进一步的，所述导电结构层设置在所述第一区域、m个第二区域和n个第三区域上，且位于所述第一区域、m个第二区域和n个第三区域上的所述导电结构层串联，所述导电结构层内的导电通路自所述第一区域、所述第三区域串联通过。
11、进一步的，所述导电结构层的材质包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯、金属粒子、金属纳米线中的任意一种或两种以上的组合。
12、进一步的，所述电信号包括电阻信号。
13、进一步的，所述三维形变尺度包括面积应变。
14、进一步的，所述电信号与所述导电结构层发生的三维形变尺度正相关。
15、进一步的，所述应变限制结构的杨氏模量为所述弹性基底的杨氏模量的1.5-5倍。
16、进一步的，所述弹性基底的杨氏模量为1000pa。
17、进一步的，所述应变限制结构的杨氏模量为1500-5000pa，优选为1500-4000pa。
18、进一步的，所述弹性基底的厚度与所述应变限制结构的厚度之比为(20-200)∶(500-4000)。
19、进一步的，所述弹性基底的厚度为20-200μm。
20、进一步的，所述应变限制结构的厚度为0.5-4mm。
21、应变限制结构和弹性基底两者的杨氏模量的差值还与应变限制结构的厚度(质量)有关，在本专利技术限定的应变限制结构的厚度范围内，应变限制结构的杨氏模量为弹性基底的杨氏模量的1.5-5倍，这是由于当应变限制结构与弹性基底的杨氏模量比值小于1.5时不利于形变差异的产生，而当应变限制结构与弹性基底的杨氏模量比值大于5时，则由于应变限制结构的高模量而造成较差的贴附效果，进而影响形变的产生以及器件的使用。
22、进一步的，该具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器还包括一具有开口的中空腔室，所述致动薄膜设置在所述中空腔室的开口处，驱使所述致动薄膜发生三维形变的外力是由所述中空腔室内的流体介质的体积变化而产生的。
23、进一步的，该具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器包括一外壳，所述外壳与所述致动薄膜共同围合形成所述中空腔室。具体的，所述外壳的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等具备良好密封性的塑料等。
24、进一步的，该具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器还包括致动源，所述致动源至少用于驱使所述致动薄膜发生所述三维形变，具体的，所述致动源可以通过向所述中空腔室内提供流体介质而改变所述中空腔室内的流体介质的体积，从而使所述致动薄膜发生所述三维形变；更具体的，所述致动源可以是气动装置或液动装置等。
25、进一步的，该具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器还包括传感结构，传感结构与所述导电结构层电连接，并用于采集/输出导电结构层的电信号；具体的，所述传感结构与所述导电结构层电连接并在传感结构与导电结构层之间形成导电通路。
26、本专利技术还提供了一种驱动行为的监测方法，包括：
27、提供所述的具有多级驱动预警功能的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于，包括：致动薄膜，所述致动薄膜包括弹性基底和导电结构层，所述弹性基底具有至少两个形变区域，至少两个所述形变区域能够在外部刺激下发生三维形变，且在相同的外部刺激下，至少两个所述形变区域的三维形变尺度不同，至少一所述形变区域在不同的外部刺激下的最大三维形变尺度不同；
2.根据权利要求1所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：所述致动薄膜还包括应变限制结构，所述弹性基底具有一个第一区域、m个第二区域和n个第三区域，所述第二区域和所述第三区域均是环绕所述第一区域设置的环形区域，且所述第二区域和所述第三区域沿远离所述第一区域的方向依次交替设置，其中，所述第一区域和所述第三区域为所述形变区域，所述应变限制结构固定设置在所述第二区域，且所述应变限制结构的杨氏模量大于所述弹性基底的杨氏模量，m，n为大于等于1的整数。
3.根据权利要求2所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：所述第一区域的最大三维形变尺度大于所述第三区域的最大三维形变尺度。
4.根据权利要
5.根据权利要求2所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：
6.根据权利要求2所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：所述弹性基底的厚度与所述应变限制结构的厚度之比为(20-200)∶(500-4000)；
7.根据权利要求1所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于，还包括：一具有开口的中空腔室，所述致动薄膜设置在所述中空腔室的开口处，驱使所述致动薄膜发生三维形变的外力是由所述中空腔室内的流体介质的体积变化而产生的。
8.一种驱动行为的监测方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的驱动行为的监测方法，其特征在于，还包括：以面积采集装置采集所述致动薄膜的面积，并构建所述致动薄膜的面积与所述导电结构层的电信号的面积-电信号曲线，并以所述面积-电信号曲线的曲率变化来表征所述驱动行为。
10.如权利要求1-7中任一项所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器或权利要求8或9所述的驱动行为的监测方法在环境监测或软体机器人领域中的用途。
...【技术特征摘要】
1.一种具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于，包括：致动薄膜，所述致动薄膜包括弹性基底和导电结构层，所述弹性基底具有至少两个形变区域，至少两个所述形变区域能够在外部刺激下发生三维形变，且在相同的外部刺激下，至少两个所述形变区域的三维形变尺度不同，至少一所述形变区域在不同的外部刺激下的最大三维形变尺度不同；
2.根据权利要求1所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：所述致动薄膜还包括应变限制结构，所述弹性基底具有一个第一区域、m个第二区域和n个第三区域，所述第二区域和所述第三区域均是环绕所述第一区域设置的环形区域，且所述第二区域和所述第三区域沿远离所述第一区域的方向依次交替设置，其中，所述第一区域和所述第三区域为所述形变区域，所述应变限制结构固定设置在所述第二区域，且所述应变限制结构的杨氏模量大于所述弹性基底的杨氏模量，m，n为大于等于1的整数。
3.根据权利要求2所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：所述第一区域的最大三维形变尺度大于所述第三区域的最大三维形变尺度。
4.根据权利要求2或3所述的具有多级驱动预警功能的自感知三维软体致动器，其特征在于：所述导电结构层设置在所述第一区域、m个第二区域和n个第三区域上...
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