[發明專利]一種螺旋光熱驅動薄膜及基于該薄膜的軟體爬行機器人

有效

• 申請號: 201910211930.4
• 申請日: 2019-03-20
• 公開（公告）號: CN109929131B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 劉遵峰;李晶晶;陳旭;種玉婷
• 申請（專利權）人: 蘇州斯坦得新材料有限公司
• 主分類號: C08J7/04
• 分類號: C08J7/04;C09D175/04;C09D7/61;C09D133/00;B25J9/00;C08L67/02
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 林霞

螺旋光熱驅動薄膜，是由三層結構光熱驅動薄膜纏繞成螺旋線圈狀再經過加熱固定制備而成，光照打開時，螺旋驅動薄膜旋轉進行解螺旋，關閉光照時又會恢復原狀;該光熱驅動薄膜利用了丙烯酸層的冷卻降溫和體積收縮的協同作用，并結合了螺旋線圈經加熱固定后形成的扭矩力，實現了在較低的溫差下，響應靈敏，制動幅度大的優點。基于該材料制備的軟體爬行機器人能夠在低光強的白光的驅動下快速彎曲，在平坦的基板上向前爬行。

技術領域

本發明涉及光熱驅動薄膜領域，具體涉及一種螺旋光熱驅動薄膜及基于該薄膜的軟體爬行機器人。

背景技術

在植物中，有許多螺旋形運動，包括卷須的螺旋運動和木細胞的扭曲，基于這些啟發，可以將薄膜經過一定處理制成螺旋線圈來創建螺旋驅動器，這在機器人和人造肌肉中具有極大的應用前景。例如，隨著新材料和智能制造的快速發展，可以收獲光的軟機器人消除了對外部電池的依賴就可以實現遠程控制受到研究學者的青睞，這種軟體機器人一般都是由柔軟的，具有彈性的聚合物制備而成，例如由還原氧化石墨烯-碳納米管/聚二甲基硅氧烷（rGO-CNT / PDMS）復合薄膜制成的軟機器人可以以1.6 cm s -1的平均速度向前移動（L. Hines, K. Petersen, G. Z. Lum, M. Sitti, Adv. Mater. 2017, 29, 1603483）。

與傳統剛性機器人相比，軟機器人因其具有大的自由度和變形能力能夠完成許多復雜的操作且不易對負荷造成傷害。然而，目前驅動器存在響應時間慢、制動幅度低的問題，限制了這種爬行機器人的發展，而且鑒于許多智能設備都是在常溫、自然光照下運轉的，希望能夠在較低的溫差下產生驅動，因此，迫切需要一種材料能夠在相對較低的溫度變化下快速響應，且具有較高的制動速度和制動幅度。

發明內容

為了克服現有技術存在的問題，本發明提供的一種螺旋驅動光熱薄膜，是具有pet層、油墨層和丙烯酸層的三層結構的光熱驅動薄膜，利用丙烯酸層的冷卻降溫和體積收縮的協同作用，實現了在較低的溫差下，響應靈敏，制動幅度大的優點，此外結合了螺旋線圈經加熱固定后形成的扭矩力，制備的螺旋驅動薄膜具有高的旋轉角度，快速響應時間和對稱可逆性。基于該材料制備的軟體爬行機器人能夠在低光強的白光的驅動下快速彎曲，在平坦的基板上向前爬行。

所述螺旋線圈驅動薄膜是由三層結構的光熱驅動薄膜通過纏繞在圓棒上，經高溫固定而成，光熱驅動薄膜包括油墨層（ink），pet層和丙烯酸層（Acrylic），所述油墨層和丙烯酸層分別復合在pet層的兩側，形成結構IPTA-X，X為丙烯酸層厚度，單位是μm。當X=0時，即為不含丙烯酸層的雙層光熱驅動器。如圖1所示，光照打開時，螺旋線圈驅動薄膜旋轉進行解螺旋，關閉光照時又會恢復原狀。

所述油墨層是將一定量的炭黑，聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮混合溶劑中制備而成。油墨層有強的光熱效應，具有強的光吸收能力和較寬的吸收光譜。

所述丙烯酸層，是通過在pet側旋涂水性丙烯酸粘合劑制備而成，主要起到冷卻降溫和體積收縮的協同作用，進而實現彎曲制動。

與傳統雙層光熱驅動器相比，該光熱驅動薄膜包含的丙烯酸層（Acrylic），在光照條件下，通過水分蒸發誘導體積收縮，增強了該材料的彎曲制動，此外，丙烯酸層的引入對于pet層和油墨層極大不匹配的熱膨脹系數帶來了一個等效的負膨脹系數，使其在較低溫差下具有較快的響應速度和較大的制動幅度如圖2所示，以白光來模擬太陽光。隨著光照強度的增加，最大旋轉角度也增加，如圖3所示，線圈直徑為1mm時的螺旋線圈驅動薄膜隨光照強度增加，驅動旋轉的角度也增大，這可能是由于光強增加使得光熱密度增加所致。而且，由于丙烯酸層引起的相對低的致動溫度變化也改善了該螺旋光熱驅動薄膜的循環穩定性，如圖4所示，直徑為1mm的螺旋線圈驅動薄膜，最大旋轉速度約為150轉/分鐘，循環驅動100個循環后，性能幾乎沒有衰減，表現了優異的穩定性。