[發明專利]基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮

有效

• 申請號: 201410107754.7
• 申請日: 2014-03-24
• 公開（公告）號: CN103818517A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 韓鑫;靳印凱;陳亮亮;邱先慧
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: B63B1/32
• 分類號: B63B1/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種仿生海豚皮，更特別地說，是指一種基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，屬于工程仿生技術領域。

背景技術

有效降低航行器的表面阻力以提高速度、機動性、續航力以及燃料利用效率，對于國民經濟和國防安全具有重要意義。海豚、鯊魚、金槍魚等高游速水下生物無疑為人類提供了極為寶貴的工程仿生范本，有針對性地研發低阻、高效的仿生減阻表皮成為當前的研究熱點和難點。

海豚是海洋中的游泳冠軍，時速可達70～100千米。早在1936年，英國科學家Gray就發現海豚的游速已遠遠超出其肌肉力量的限度，進而提出著名的“格雷悖論”。研究發現，海豚之所以游得快，除了具有流線型身體外，更重要的是它特殊的彈性皮膚結構能產生類似消振器一樣的“自適應表面”。海豚的皮膚分為三層，最外面的表皮層是薄而光滑的角質膜，中間是真皮層，分布著許多富有彈性的管狀乳突，乳突里充滿海綿狀物質，乳突間是血液或體液，最里層是稠密的膠原纖維和彈性纖維，其間充滿了脂肪。當海豚快速游動時，隨著水阻力的增加，真皮層的微小乳突能承受很大的壓力，且其形狀和彈性可使海豚皮膚由光滑態逐漸起伏為一定的非光滑態，可以改變層流附面層的邊界條件，使邊界柔順化，減小邊界面的流速梯度和剪切力，防止或減緩湍流的產生，從而降低游動阻力。科學家目前仿制出的“人造海豚皮”由三層橡膠組成，總厚度2.5?mm，其中模仿海豚表皮層的平滑外層厚0.5?mm，中層有橡膠乳頭以模仿海豚的真皮層，其間充滿了粘滯性液態硅樹脂，下層是厚0.5?mm與船體接觸的支持板。減阻試驗結果表明，它可以使魚雷和潛艇在海水中的運動阻力減少50%。但這類人造海豚皮在對海豚皮生物原型特殊、復雜結構的模仿上仍處較低水平，尤其是在對海豚乳突動態變形結構的模仿上僅是用簡單的橡膠乳頭來替代，在結構和功能仿生方面顯然仍有較大的提升空間。

人工肌肉是近幾十年問世的一種新型智能材料，它能夠在外加電場、環境溫度或酸堿度的作用下，通過材料內部結構的改變而伸縮并產生力的作用，具有和生物肌肉十分相似的機能。目前已研發出的人造肌肉材料涉及聚合物、金屬、凝膠以及碳納米管等，其中形狀記憶合金（Shape?Memory?Alloys，簡稱SMA）是當前應用較為普遍的人工肌肉材料之一。SMA是一種能夠記憶原有形狀的智能材料，當溫度低于其轉變溫度時將其人為變形，則當溫度高于其轉變溫度時其可自動恢復到變形前形狀，且具有雙程記憶效應的SMA可在重新冷卻至轉變溫度以下時又能回復到其低溫相形狀。形狀記憶合金人工肌肉充分利用了SMA這種獨特的雙程形狀記憶效應，利用外來熱源控制其溫度在轉變溫度上下轉換，從而使其不斷在低溫相與高溫相之間往復變形，進而展現出類似肌肉伸縮的較大力量，從而實現某種力的功能。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，以解決上述技術問題。

本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撐座、硬化導電層、柔性樹脂層、柔性導電層、光滑橡膠層、人工肌肉伸縮單元，所述支撐座用于支撐并將仿生海豚皮安裝固定于載體外殼壁面，所述硬化導電層的下表面與支撐座上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層的下表面相膠合，所述柔性樹脂層上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室，所述柔性導電層的下表面與柔性樹脂層的上表面相膠合，其上表面與光滑橡膠層的下表面相膠合，若干數量的人工肌肉伸縮單元對應穿過柔性樹脂層上的伸縮室呈陣列化豎直排布于硬化導電層和柔性導電層之間，所述人工肌肉伸縮單元包括形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導線，形狀記憶合金人工肌肉簧的一端在保持與硬化導電層絕緣的同時與支撐座固定連接，另一端在與柔性導電層絕緣的同時與牽拉頭固定連接，借由可伸縮連接導線串聯起來的兩段式電加熱棒中的一段與硬化導電層做導電連接，另一段與柔性導電層做導電連接，牽拉頭的底面與柔性導電層的上表面相膠合，牽拉頭的其余面與光滑橡膠層下表面所開設的若干牽拉孔相對應固定連接。

所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，自然狀態下柔性樹脂層的厚度是3.0?mm～5.0?mm，光滑橡膠層的厚度是1.5?mm～2.0?mm。

所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，陣列化排布的人工肌肉伸縮單元之間的間距是15.0?mm～20.0?mm。

所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形狀記憶合金人工肌肉簧所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金，其轉變溫度范圍為45℃～95℃。