[發(fā)明專利]光推進(jìn)仿生肌肉動(dòng)力系統(tǒng)及其做功方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711155940.8
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開（公告）號(hào): CN107795443A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉冬;劉冠楠;恢旺洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): F03G6/00
• 分類號(hào): F03G6/00;F03G6/06;F03G7/06
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心32203
• 代理人: 唐代盛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源以及動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光推進(jìn)的仿生肌肉系統(tǒng)及其做功方法。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能是最重要的基本能源之一，生物質(zhì)能、風(fēng)能、潮汐能、水能都來(lái)自于太陽(yáng)能，太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行著由氫聚變成氦的原子核反應(yīng)，不停釋放輻射能量。

太陽(yáng)能作為一種新能源，有以下三大優(yōu)點(diǎn)：取之不盡，用之不竭；不存在運(yùn)輸問(wèn)題；作為一種潔凈能源，在開發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生污染物，不會(huì)造成環(huán)境污染。

目前，人類直接利用的光能轉(zhuǎn)換形式，主要為光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等，光能驅(qū)動(dòng)的研究成為當(dāng)下熱點(diǎn)之一。

目前，在直接利用的光能轉(zhuǎn)換形式應(yīng)用中，利用石墨烯作為光熱轉(zhuǎn)換載體實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換從而進(jìn)行機(jī)械能輸出的技術(shù)還未見報(bào)道。本發(fā)明選擇二維材料石墨烯為光熱轉(zhuǎn)換載體，利用常見的太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)力，最終將光能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，可以無(wú)能耗的光觸發(fā)模擬肌肉運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光強(qiáng)度來(lái)調(diào)整肌肉的運(yùn)動(dòng)等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于光推進(jìn)的仿生肌肉系統(tǒng)及其做功方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中光熱轉(zhuǎn)換效率低、動(dòng)力輸出不穩(wěn)定不持久以及系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種光推進(jìn)仿生肌肉動(dòng)力系統(tǒng)，包括石墨烯、質(zhì)量塊、動(dòng)力輸出軸、液晶快門、聚光透鏡、密封管、外殼，所述密封管設(shè)置于外殼內(nèi)，所述密封管中部設(shè)置有一質(zhì)量塊，密封管中質(zhì)量塊的兩端放置石墨烯，密封管的兩端頭均設(shè)置聚光透鏡和液晶快門，所述動(dòng)力輸出軸一端伸入密封管，另一端從外殼向外伸出，所述動(dòng)力輸出軸的軸向與密封管的軸向平行且可沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述密封管中填充有氣體，所述氣體不與石墨烯發(fā)生反應(yīng)。

進(jìn)一步地，所述石墨烯為蓬松型石墨烯，具有較大的比表面積。

進(jìn)一步地，所述動(dòng)力輸出軸為至少2個(gè)。

進(jìn)一步地，在密封管的兩端均設(shè)置有所述動(dòng)力輸出軸，且兩端的動(dòng)力輸出軸數(shù)量相同。

進(jìn)一步地，所述光推進(jìn)仿生肌肉動(dòng)力系統(tǒng)采用太陽(yáng)光作為光源。

進(jìn)一步地，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)所需太陽(yáng)光的強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，所述質(zhì)量塊為圓柱狀，其側(cè)面與密封管的內(nèi)壁相配合。

進(jìn)一步地，所述動(dòng)力輸出軸將機(jī)械功輸出用于發(fā)電或推進(jìn)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述密封管中填充有惰性氣體。

一種如上述的光推進(jìn)仿生肌肉動(dòng)力系統(tǒng)的做功方法，包括如下的步驟：

步驟1：系統(tǒng)啟動(dòng)，液晶快門（2）上的液晶屏通電，阻擋兩端的光線進(jìn)入，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；

步驟2：一端的液晶快門（2）上的液晶屏由控制器產(chǎn)生一個(gè)毫秒級(jí)別的斷電時(shí)間，此時(shí)光線進(jìn)入，石墨烯受到脈沖光輻射迅速產(chǎn)生膨脹，推動(dòng)質(zhì)量塊移動(dòng)到另一端推動(dòng)動(dòng)力輸出軸做功；

步驟3：所述另一端由控制器產(chǎn)生一個(gè)毫秒級(jí)別的斷電時(shí)間產(chǎn)生毫秒級(jí)別光脈沖，質(zhì)量塊移向所述一端推動(dòng)該端動(dòng)力輸出軸做功；

步驟4：重復(fù)步驟2和3，所述質(zhì)量塊循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)力輸出軸循環(huán)做功。

石墨烯膨脹產(chǎn)生推動(dòng)力的原理：石墨烯瞬間吸收大量的光能，并高效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，大量的熱量聚集在石墨烯中，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)釋放，并儲(chǔ)存在石墨烯的褶皺結(jié)構(gòu)中，石墨烯中的氣體如惰性氣體（例如氦氣）瞬間加熱膨脹，產(chǎn)生一定的推動(dòng)力。利用液晶通電不透光，失電透光的性質(zhì)，作為光源輸入的門控開關(guān)，提供石墨烯膨脹所必需的光脈沖。因石墨烯膨脹方向與光照方向一致，故聚光透鏡軸向安裝在兩端時(shí)具有最高的能源利用效率。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：為了定量化石墨烯膨脹所產(chǎn)生的效果，稱取5mg的石墨烯放置于1mm石英玻璃片上，玻璃片直接放于常見的普通照相機(jī)閃光燈的燈頭，將重為10.76g的陶瓷瓶的瓶口朝下，覆蓋石墨烯。閃光燈閃光瞬間，陶瓷瓶瞬間被推動(dòng)2mm的高度。通過(guò)加速度與位移、時(shí)間的關(guān)系式，可以得出陶瓷瓶的加速度為82.6m/s²。本實(shí)驗(yàn)在氦氣氛圍下完成，使用閃光燈作為能量來(lái)源，其光譜類似于太陽(yáng)光譜。由于石墨烯狄拉克錐和無(wú)間隙的帶結(jié)構(gòu)，可以吸收各個(gè)波長(zhǎng)的光。

本發(fā)明具有以下有益效果：（1）能源來(lái)源為太陽(yáng)能，節(jié)能，無(wú)污染。

（2）使用碳材料石墨烯作為光熱轉(zhuǎn)換載體，具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。

（3）石墨烯在無(wú)消耗的情況下可重復(fù)產(chǎn)生推動(dòng)力，且疲勞效應(yīng)較小。

（4）單位體積的石墨烯可迅速產(chǎn)生較大的推動(dòng)力，可以根據(jù)光強(qiáng)的大小來(lái)改變仿生肌肉的運(yùn)動(dòng)。

此外，本發(fā)明的動(dòng)力系統(tǒng)可具有廣泛的應(yīng)用且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、耗能小。