【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高分子凝胶，尤其涉及一种可水合编程的形状记忆人工肌肉及其制备方法和应用。
技术介绍
1、人类的骨骼肌产生收缩运动，实现人体所必须的各种运动。目前研究人员致力于在制造出相似功能的人工肌肉，已开发出多种类型的人工肌肉材料。特别是形状记忆聚合物，由于形状编程机制的多样性，形状记忆人工肌肉可以实现在暂时形状和永久形状之间的形状切换。然而，形状记忆聚合物往往需要借助外力进行形状编程，这使得形状记忆聚合物人工肌肉难以实现无外力参与下的可逆运动。
2、人体中的骨骼肌不能自主伸长，而是通过形成拮抗肌肉对的方式，实现肌肉的往复收缩和伸长的运动。但形状记忆聚合物无法模拟拮抗运动，因为其在形状编程和形状恢复过程中的模量差很小，导致相连的人工肌肉无法互相牵伸对方。为了更进一步地开发形状记忆聚合物，目前基于水触发的形状记忆效应被广泛研究。水凝胶在水合态下具有低模量，高韧性的力学性能特点，可以进行大形变的形状编程过程；而在脱水态下，聚合物网络被氢键固定，产生高模量的力学性能特点，从而固定临时形状。临时形状在水合之后又能恢复永久形状，实现可逆驱动。
3、公开号为cn112940288a的中国专利公开了一种形状记忆水凝胶的制备方法及其应用。该专利技术的制备方法包括以下步骤：步骤一，将丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺金刚烷按一定量比例溶解于环糊精接枝的海鞘纤维素纳米晶体水分散液中，在55℃下孵育2h，冰水浴冷却，加入引发剂过硫酸铵，将分散液注入模具中，55℃下聚合5h，得到单交联水凝胶；步骤二，将步骤一中得到的单交联水凝胶进行一系
4、类似的，公开号为cn116426005a的中国专利则提供了一种温度响应的水凝胶人工肌肉及其制备方法与应用。该申请的方法包括：将n-异丙基丙烯酰胺、3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐、丙烯酰胺、交联剂、引发剂和促进剂按比例溶解于硫酸水解的海鞘纤维素纳米晶体水分散液中，获得混合液；后将所述混合液注入模具中聚合，得到化学交联水凝胶；将所述化学交联水凝胶进行连续取向操作，得到螺旋形水凝胶；将所述螺旋形水凝胶浸泡在锆盐溶液中，得到水凝胶人工肌肉。该水凝胶人工肌肉利用水凝胶主链中3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐链段的-so3与zr4+之间的离子配位作用，将初始柱状水凝胶固定成弹簧状结构，可以通过温度刺激实现伸缩形变。并加入海鞘纤维素纳米晶作为纳米填料，提升初始柱状水凝胶的力学性能，方便于后续的加捻及固定处理。但其功能依赖弹簧状螺旋结构的伸缩形变实现，制备需要控制材料的加捻及固定，工艺复杂。
5、因此，在现有技术的运动机制外，提供一种制备工艺简捷的形状记忆人工肌肉的制备方法来解决上述技术问题，并实现人体骨骼肌拮抗运动的模拟，对拓展人工肌肉的应用领域具有重要意义。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本专利技术的第一方面，提供了一种工艺简捷、可水合编程的形状记忆人工肌肉的制备方法，包括如下步骤：
2、(1)溶液环境下，聚乙烯醇、海鞘纤维素纳米晶体与由丙烯酰胺、丙烯酸和n,n’-亚甲基双丙烯酰胺构成的聚合单体混合进行孵育，得到聚合前体分散液；
3、(2)向所述聚合前体分散液中加入引发剂，经聚合反应加工形成纤维状水凝胶材料，得到形状记忆人工肌肉。
4、优选的，所述步骤(1)中，所述聚乙烯醇的总含量占聚合前体分散液的0.1wt.％～10.0wt.％；所述聚合单体的总含量占聚合前体分散液的20wt.％～30wt.％。
5、优选的，所述步骤(1)中，所述聚合单体中，丙烯酰胺、丙烯酸和n,n’-亚甲基双丙烯酰的质量比例为1～9：1～9：0.0001～0.1。
6、聚乙二醇会影响所得水凝胶材料的韧性；此外在聚合单体中，丙烯酸能够加强干态水凝胶的水合过程，但也会影响水凝胶的溶胀步骤。为了达到更优的成品效果，以上技术方案中的原料的添加量限定在合适的范围内。
7、优选的，所述步骤(1)中，所述聚合前体分散液通过将聚乙烯醇、聚合单体溶于海鞘纤维素纳米晶体水分散液混合进行孵育形成。
8、进一步优选的，所述海鞘纤维素纳米晶体水分散液中海鞘纤维素纳米晶体的含量为0.1wt.％～5.0wt.％。
9、优选的，所述步骤(1)中，所述孵育的温度为50～90℃，时间为1～5h。
10、优选的，所述步骤(2)中，所述聚合反应的温度为40～80℃，时间为1～8h。
11、本专利技术中，丙烯酰胺、丙烯酸和n,n’-亚甲基双丙烯酰的反应是基于单体的自由基聚合以实现的。在该反应机制下，本领域中引发剂的种类选择是多元且广泛的，采用热引发剂例如过硫酸铵、过硫酸钾等，或光引发剂例如偶氮二异丁腈、光引发剂2959等物质，皆属于常见的可选类型，适用于上述步骤的聚合反应，无需特别限定。另外，本领域人员可以根据可选的引发剂具体类型来合理选择其添加量以完成聚合。
12、水凝胶材料加工至纤维状的方式同样是多样的，可以根据实际的加工条件选择合适的方式。例如，实验室制备环境下，在直径为1.5mm的聚四氟乙烯管道中完成聚合反应即可得到纤维状水凝胶材料；而在工业规模制造的加工条件下，亦可通过其他手段实现。
13、在本专利技术的第二方面，提供了一种高断裂伸长率和韧性、具有温度响应能力的形状记忆人工肌肉，采用本专利技术第一方面的方法制成。
14、在本专利技术的第三方面，提供了一种本专利技术第二方面的形状记忆人工肌肉的应用，具体是作为形状记忆材料在仿生结构的拮抗运动中的应用。
15、形状记忆人工肌肉通过该水凝胶材料在应变和应力控制下被预牵伸，即可编程模拟所需的肌肉形式。应变控制的形状编程过程是水凝胶在预牵伸比(例如800％)下通过风干固定形状得到，而应力控制的形状编程过程是水凝胶在恒定外力下被牵伸并通过风干固定形状得到。此过程是为了固定形状记忆人工肌肉的暂时形状，通过风干过程中聚合物网络内部的氢键由水合氢键转变为聚合物链间的氢键，实现暂时形状的固定。固定后的形状记忆人工肌肉具有能够在水合态下被牵伸和加热后自主收缩的效果，这是因为在加热后，聚合物网络由玻璃态转变为粘弹态，聚合物链段能够发生滑移，因此实现热收缩效应。
16、优选的，形状记忆人工肌肉的应用方法如下：
17、形状记忆人工肌肉在应变和应力控制下经牵伸、干燥固定形成模拟主动肌和拮抗肌的组成的拮抗肌肉对，将拮抗肌肉对组装于仿生手臂两侧，作为手臂的肱二头肌和肱三头肌，在温度响应下，通过主动肌的收缩带动本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种形状记忆人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述聚乙烯醇的总含量占聚合前体分散液的0.1wt.％～10.0wt.％；所述聚合单体的总含量占聚合前体分散液的20wt.％～30wt.％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述聚合单体中，丙烯酰胺、丙烯酸和N,N’-亚甲基双丙烯酰的质量比例为1～9：1～9：0.0001～0.1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述聚合前体分散液通过将聚乙烯醇、聚合单体溶于海鞘纤维素纳米晶体水分散液混合进行孵育形成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述海鞘纤维素纳米晶体水分散液中海鞘纤维素纳米晶体的含量为0.1wt.％～5.0wt.％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述孵育的温度为50～90℃，时间为1～5h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述聚合反应的温度为40～80℃，
8.一种形状记忆人工肌肉，其特征在于：采用如权利要求1～7任一项所述的方法制成。
9.一种如权利要求8所述的形状记忆人工肌肉的应用，其特征在于：作为形状记忆材料在仿生结构的拮抗运动中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，方法如下：形状记忆人工肌肉在应变和应力控制下经牵伸、干燥固定形成模拟主动肌和拮抗肌的组成的拮抗肌肉对，将拮抗肌肉对组装于仿生手臂两侧，作为手臂的肱二头肌和肱三头肌，在温度响应下，通过主动肌的收缩带动拮抗肌的伸长，实现手臂的循环拮抗运动。
...【技术特征摘要】
1.一种形状记忆人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述聚乙烯醇的总含量占聚合前体分散液的0.1wt.％～10.0wt.％；所述聚合单体的总含量占聚合前体分散液的20wt.％～30wt.％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述聚合单体中，丙烯酰胺、丙烯酸和n,n’-亚甲基双丙烯酰的质量比例为1～9：1～9：0.0001～0.1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述聚合前体分散液通过将聚乙烯醇、聚合单体溶于海鞘纤维素纳米晶体水分散液混合进行孵育形成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述海鞘纤维素纳米晶体水分散液中海鞘纤维素纳米晶体的含量为0.1wt.％～5.0wt...
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