[發(fā)明專利]人工肌肉纖維及其制法、應用和驅(qū)動測試裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111545169.1
• 申請日: 2021-12-16
• 公開（公告）號: CN114150399A
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設計）人: 邸江濤;魏旭粼;李清文
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: D01F8/14
• 分類號: D01F8/14;D01F8/18;D01D5/00;D02G3/04;D02G3/22;D02G3/32;D02G3/44;G01N3/18;G01N3/34
• 代理公司: 南京利豐知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發(fā)明公開了一種人工肌肉纖維及其制法、應用和驅(qū)動測試裝置。所述可在低溫環(huán)境進行電熱響應的人工肌肉纖維包括碳納米管纖維和聚己內(nèi)酯納米纖維，所述聚己內(nèi)酯納米纖維均勻包裹碳納米管纖維并形成核鞘結構，所述人工肌肉纖維整體呈現(xiàn)螺旋結構。本發(fā)明實施例提供的一種人工肌肉纖維可在?196℃～?45℃低溫環(huán)境下工作。

技術領域

本發(fā)明涉及一種人工肌肉纖維，特別涉及一種人工肌肉纖維及其制法、應用和驅(qū)動測試裝置，屬于材料科學技術領域。

背景技術

人工肌肉纖維是最近新發(fā)展的一類新型智能驅(qū)動材料，當受到外界刺激時，它會產(chǎn)生可逆的伸縮、轉動、彎曲等形式的運動，在日常生活、醫(yī)療、軍事等方面都有重要的應用前景。人工肌肉以驅(qū)動方式的不同可分為電熱驅(qū)動、溶劑/氣體的吸附與脫附驅(qū)動以及電化學驅(qū)動等。其中電熱驅(qū)動因其形式簡便、容易實現(xiàn)，受環(huán)境影響小等優(yōu)勢，在應用方面具有更大的優(yōu)勢。對于工作溫度范圍在室溫之上的電熱驅(qū)動人工肌肉的報道屢見不鮮，目前也廣泛地應用在軟體機器人、假肢、外骨骼等領域。但在低溫環(huán)境下工作的仿生肌肉纖維卻未見報道，隨著對可穿戴設備的研究開發(fā)，以及生物醫(yī)學領域的快速發(fā)展，對于低溫驅(qū)動器的需求也逐日提升。而經(jīng)典的熱響應型人工肌肉纖維往往因為材料耐寒性能差，在零度溫度以下出現(xiàn)斷裂、性能下降或失效等問題而不能滿足某些特定應用場景的需求，因此，在低溫環(huán)境下工作的電熱人工肌肉纖維亟待研究開發(fā)。

目前，電熱驅(qū)動的人工肌肉纖維的驅(qū)動測試方法主要是將測試樣品以及測試裝置都置于室溫環(huán)境下，通過對碳納米管通電加熱從而使人工肌肉纖維升溫進而發(fā)生體積膨脹。但這樣的熱刺激形式導致纖維的溫度只能從室溫開始升高，也就是說我們研究的驅(qū)動現(xiàn)象始終都發(fā)生在室溫之上。嚴格來講熱驅(qū)動為溫差驅(qū)動，電熱驅(qū)動即屬于溫差驅(qū)動這一類，即材料的溫度發(fā)生變化，引起的溫差就會導致材料產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，溫差驅(qū)動利用了“熱脹”，即溫度升高體積膨脹，但這樣的現(xiàn)象發(fā)生在低溫環(huán)境下也同樣會導致材料因溫差而產(chǎn)生體積膨脹。

為了研究人工肌肉纖維在低溫環(huán)境下的電熱驅(qū)動，需要設計制備可以為纖維提供低溫工作環(huán)境的驅(qū)動測試裝置。目前可實現(xiàn)在低溫環(huán)境下對人工肌肉纖維進行驅(qū)動測試的方法為熱機械分析法(Thermomachanical Analysis，簡稱TMA)；熱機械分析法為使樣品處于一定的溫度程序(升/降/恒溫及其組合)控制下，對樣品施加一定的機械力，測量樣品在一定方向上的尺寸或形變量隨溫度或時間的變化過程，利用熱機械分析儀的拉伸模式，可以測量材料的線膨脹與收縮，即可用于人工肌肉纖維的驅(qū)動測試；TMA方法通過設置對人工肌肉纖維施加一恒定的靜態(tài)力，通過改變纖維所處的環(huán)境溫度，即設置溫度程序(升/降/恒溫及其組合)，來測試材料由于溫度改變而產(chǎn)生的收縮或膨脹。

本案發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電熱驅(qū)動人工肌肉纖維均是在室溫環(huán)境下工作的，工作溫度均高于室溫，甚至高達幾百度，并未有低溫環(huán)境下工作的人工肌肉纖維報道。在特殊應用場景下，由于溫度較低，人工肌肉纖維會發(fā)生斷裂、變硬/變脆、性能下降等現(xiàn)象，無法滿足使用需求。并且，傳統(tǒng)的電熱驅(qū)動裝置是在室溫環(huán)境下進行測試的,缺點是無法改變纖維的環(huán)境溫度，不能實現(xiàn)其在低溫環(huán)境下的驅(qū)動測試。TMA測試方法雖然可以提供低溫環(huán)境，但缺點是無法實現(xiàn)在低溫環(huán)境下瞬時升高纖維的溫度，即所測試的樣品的溫度改變只能通過爐體溫度的改變來實現(xiàn)，而TMA的溫度程序無法達到瞬時的升降溫；此外，TMA測試方法也無法實現(xiàn)對驅(qū)動行為進行連續(xù)的測試，測試過程繁瑣，耗時長。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種可在低溫環(huán)境進行電熱響應的人工肌肉纖維及其制法、應用和驅(qū)動測試裝置，以克服現(xiàn)有技術中的不足。

為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案包括：

本發(fā)明實施例一方面提供了一種可在低溫環(huán)境進行電熱響應的人工肌肉纖維，包括碳納米管纖維和聚己內(nèi)酯納米纖維，所述聚己內(nèi)酯納米纖維均勻包裹碳納米管纖維并形成核鞘結構，所述人工肌肉纖維整體呈現(xiàn)螺旋結構。

本發(fā)明實施例一方面還提供了一種可在低溫環(huán)境進行電熱響應的人工肌肉纖維的制備方法，包括：