[發(fā)明專利]高功率雙向驅(qū)動(dòng)的仿生肌肉纖維、其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210874035.2
• 申請(qǐng)日: 2022-07-22
• 公開（公告）號(hào): CN115142267A
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邸江濤;崔波;李清文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): D06M15/63
• 分類號(hào): D06M15/63;C08G75/045;D02G3/04;D02G3/12;D02G3/32;D02G3/44;D06M101/40;D06M101/30;D06M101/34
• 代理公司: 南京利豐知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發(fā)明公開了一種高功率雙向驅(qū)動(dòng)的仿生肌肉纖維、其制備方法與應(yīng)用。所述仿生肌肉纖維包括基體纖維以及包覆基體纖維的客體材料層，基體纖維能夠通電發(fā)熱，客體材料層包括液晶彈性體；仿生肌肉纖維過度加捻至具有螺旋筒狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所提供的仿生肌肉纖維改善了液晶彈性體的機(jī)械性能，具有大的做功能力和驅(qū)動(dòng)量；可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并通過改變電壓來控制驅(qū)動(dòng)性能，可以在高頻下工作；并且無需負(fù)載即可恢復(fù)，具有雙向驅(qū)動(dòng)特性，循環(huán)做功大于零；本發(fā)明提供的制備方法無需大量的液晶彈性體，節(jié)省了成本，且制備過程復(fù)雜度低，無需苛刻的條件，解決了液晶彈性體纖維制備復(fù)雜及難以連續(xù)化制備的問題，有利于發(fā)展應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及人工肌肉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高功率雙向驅(qū)動(dòng)的仿生肌肉纖維、其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人逐漸在一些工業(yè)領(lǐng)域代替了人工，目前應(yīng)用的機(jī)器人大部分是剛性機(jī)器人，通過剛性連接器連接，馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種剛性機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，智能化程度低，適應(yīng)化境能力差以及難以微型化等問題，難以滿足機(jī)器人在商業(yè)、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域的多樣性需求。

為了解決剛性機(jī)器人存在的問題，智能材料引起了人們的廣泛關(guān)注，智能材料是一類具有多種功能的材料，包括刺激響應(yīng)性、產(chǎn)生、運(yùn)輸和/或儲(chǔ)存電荷的能力以及生物相容性等。其中，能夠在循環(huán)的刺激下產(chǎn)生不同形狀變化的形狀記憶材料引發(fā)了人們的廣泛研究，得益于其優(yōu)異的刺激響應(yīng)性及可逆的形狀變化能力，在不同的刺激下可以產(chǎn)生不同的形狀變化，在驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。目前研究的形狀記憶材料主要有合金、陶瓷、聚合物及凝膠，其中，形狀記憶聚合物因?yàn)橘|(zhì)輕、成本低，可實(shí)現(xiàn)多種形狀變化成為了人們的研究重點(diǎn)。

目前研究的形狀記憶聚合物主要有兩種：具有可逆形狀變化的雙向形狀記憶聚合物(2W-SMPs)和形狀變化不可逆的單向形狀記憶聚合物(1W-SMPs)。雙向形狀記憶聚合物在受到刺激時(shí)形狀變化可逆，在實(shí)際應(yīng)用中更具有優(yōu)勢(shì)。雙向形狀記憶聚合物根據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)有無應(yīng)力又可以分為兩種：有應(yīng)力及無應(yīng)力。其中，無需外加應(yīng)力即可在失去刺激后恢復(fù)原狀的形狀記憶聚合物具有更廣泛的通用性，是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

液晶彈性體(LCE)作為一種形狀記憶聚合物，自發(fā)展至今，一直是人們研究的熱點(diǎn)。1981年，F(xiàn)inkelmann等人采用兩步交聯(lián)法合成了第一批液晶彈性體；1991年，他們研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)單疇液晶彈性體加熱到相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，LCE會(huì)從向列相轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲韵啵瑥亩刂壕Х肿拥闹赶蚴阜较蚴湛s，收縮率達(dá)到26％；隨后Thomsen等在2001年提出了向列液晶彈性體可以表現(xiàn)出類似肌肉的性質(zhì)，應(yīng)力為210kPa，應(yīng)變?yōu)?5-45％，具有雙向形狀記憶聚合物的特性。

此后人們研究了不同反應(yīng)類型的液晶彈性體的驅(qū)動(dòng)性能及形狀改變行為，發(fā)現(xiàn)液晶彈性體具有柔性高，應(yīng)變大等優(yōu)點(diǎn)，但其合成復(fù)雜，力學(xué)性能差，難以大規(guī)模制備，驅(qū)動(dòng)應(yīng)力低等嚴(yán)重限制了液晶彈性體的應(yīng)用。并且，目前研究的液晶彈性體大部分需要在應(yīng)力的作用下才能產(chǎn)生可逆的形狀變化，因此制備無需應(yīng)力即可實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)性能的液晶彈性體是一個(gè)挑戰(zhàn)。

總結(jié)而言，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要有：1)純液晶彈性體的機(jī)械強(qiáng)度低，無法滿足大的做功需求，且不具有高頻做功能力。2)目前的主流仿生肌肉纖維無雙向驅(qū)動(dòng)性能。3)目前研究的大部分仿生肌肉纖維在循環(huán)過程中一直需要負(fù)載，整個(gè)過程做功為零。4)熱驅(qū)動(dòng)液晶彈性體大多需要在熱風(fēng)槍等加熱裝置下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，熱量耗散嚴(yán)重，加熱不均，不利于實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高功率雙向驅(qū)動(dòng)的仿生肌肉纖維、其制備方法與應(yīng)用。尤其是提供一種具有雙向驅(qū)動(dòng)性能、大功率、響應(yīng)速度快、循環(huán)做功大于零且驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)異的新型仿生肌肉纖維。

為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

第一方面，本發(fā)明提供一種高功率雙向驅(qū)動(dòng)的仿生肌肉纖維，包括基體纖維以及包覆所述基體纖維的客體材料層，所述基體纖維能夠通電發(fā)熱，所述客體材料層包括液晶彈性體；所述仿生肌肉纖維過度加捻至具有螺旋筒狀結(jié)構(gòu)。