[發明專利]一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊

有效

• 申請號: 201510291994.1
• 申請日: 2015-05-29
• 公開（公告）號: CN104959988B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 李鐵風;楊栩旭;李馳;謝雨涵;梁藝鳴
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J13/00
• 分類號: B25J13/00;A61L27/14
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及水凝膠技術領域，具體涉及一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊。

背景技術

水凝膠材料是一種由水分子填充于高分子網絡結構所形成的軟材料。由于其具有濕、軟等特性，被廣泛應用于生物工程、藥物輸運、組織工程等領域。智能水凝膠材料是水凝膠的一種，其對外部環境的變化很敏感，如果外界溫度、pH、光電信號、特殊化學分子等因素發生微小變化，智能水凝膠自身即能夠發生相應的物理結構或化學結構的變化。因此，由于智能水凝膠能夠迅速指示某些外部環境因素的變化，在一定的外界刺激下，改變其體積或做出其他性質上的響應,一些具有良好力學性能的智能水凝膠可以應用于生物、醫學等結構中的肌肉驅動模塊。

典型的智能水凝膠材料根據其對不同外界環境的響應性，被分為溫度響應性水凝膠、pH響應性水凝膠、離子強度響應性水凝膠等。以一種典型的溫度響應性水凝膠(聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠)為例，其隨著溫度的升高，當溫度達到其響應溫度時(32℃-35℃)，水凝膠中的高分子鏈將發生急劇失水現象，從而導致水凝膠的體積變小，之后如果在將外界環境的溫度降低，水凝膠中的高分子鏈將再度回到親水狀態，從而從外界環境中吸水膨脹，體積變大。

智能水凝膠體積上的智能變化，以及其與人體肌肉相似的力學特性，使其有很大的可能作為肌肉驅動材料被廣泛的應用。然而，大部分具有良好智能特性的水凝膠在力學性能上都有所欠缺，它們或許太過柔軟，不能產生太大的驅動力，或許太過脆弱，容易破裂失效。力學性能上的不足使得其在驅動方面的能力以及應用受到制約。文獻“Highly stretchable and tough hydrogels”(NATURE 2012)公開了一種雙網絡水凝膠材料，它是由兩種高分子網絡通過互相補充的方式所制備的具有高拉伸性能以及良好韌性的水凝膠材料，這種材料的兩種高分子網絡分別是一種離子交聯的剛性高分子網絡和一種化學鍵交聯的柔性高分子網絡。通過兩種高分子網絡力學性能互補的方式來制備水凝膠，可以達到加強水凝膠力學性能的目的。因此，可以通過將雙重高分子網絡與智能水凝膠結合的方式，制備出可用于產生較大驅動力的具有良好力學性能的智能水凝膠。

另一方面，水凝膠材料大部分都需要水環境的維持，智能水凝膠相應的外界刺激大部分也是由水環境所提供。如溫度響應性水凝膠的加溫，往往通過加熱水的方式實現；pH響應性水凝膠通過改變水溶液的pH值來產生響應。這樣的響應形式限制了水凝膠的應用，因為一旦脫離水環境，水凝膠將不再能實現其原有的智能型功能。為了規避水環境的必要性對于智能水凝膠的限制，在溫度響應性水凝膠中，可以加入可延展的電路，通過電路發熱的方式來刺激溫度響應性水凝膠，使其發生響應。這樣一來，智能水凝膠的應用擺脫水環境的束縛，將有利于其在更多的領域得到應用。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊。

一種基于溫度響應性水凝膠的肌肉驅動模塊，包括基于溫度響應性水凝膠的驅動層，其特征在于，還包括包覆在驅動層外的柔性保護層，以及設于在驅動層和柔性保護層之間的電熱層。

在實際使用使該驅動模塊可以外加控制電路，該控制電路通過控制電熱層的通斷電情況以控制驅動層的加熱方式(溫度、溫度變化速度等)，從而產生不同的加熱效果以刺激溫度響應性水凝膠(即驅動層)產生不同的收縮效果，達到調控驅動模塊的驅動效果的目的，易于實現且成本低廉。

本發明的肌肉驅動模塊工作原理如下：當制備驅動層的水凝膠溫度升高達到特定溫度點以上時，水凝膠發生失水，產生收縮的力；溫度回復，經過相反的過程，水凝膠吸水產生膨脹的力。

本發明的肌肉驅動模塊對制備驅動層的溫度響應性水凝膠具有如下性能要求：

具有較好的響應特性，能夠通過改變外界環境獲得較大的體積形變。具有較好的力學性能，可承受較大的外力而不破壞，外力體現在能承受4～5倍變形，模量約30KPa。

作為優選，所述溫度響應性水凝膠包括交聯的第一網絡單體和第二網絡單體，其中，第一網絡單體形成的網絡結構為柔性網絡，且具有溫度響應特性，第二網絡單體形成的網絡結構為剛性網絡。

本發明在雙網絡水凝膠的良好力學基礎上增加溫度響應的智能特性，提供了一種新的具有良好力學性能兼具溫度響應性的水凝膠。兩種網絡分別為柔性溫度響應性網絡和剛性網絡，通過柔性網絡和剛性的結合提供良好的力學性能，通過柔性網絡的智能性給凝膠賦予智能特性。