CN106426099A - 一种电驱动的人工肌肉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电驱动的人工肌肉，基于液态金属，包括可喷涂、印刷或打印的液态金属柔性电极，电活性聚合物材料，柔性封装材料，其中液态金属柔性电极覆盖在电活性聚合物材料的表面，分别为正极和负极，柔性封装材料包裹在液态金属柔性电极以及电活性聚合物材料的外部，起到对液态金属柔性电极的保护作用；这种人工肌肉可以在外加电场作用下产生弯曲或其他形变；相比于已有的铂或金材料制成的人工肌肉组织，本发明所提出的方案工艺步骤更少，成本更低且不需要用到危险化合物，在医疗器械设计、工业产品制造以及机器人等领域都有着广泛用途。

Description

一种电驱动的人工肌肉及其制备方法

技术领域

本发明属于人工肌肉技术领域，特别涉及一种电驱动的人工肌肉及其制备方法。

背景技术

通过模拟生物体的运动方式，实现工程设计中的高效率以及高灵活性一直以来都是机械工程领域的热点。生物体的各种运动方式中，大都是通过肌肉的收缩与舒展来实现，所以人工肌肉也就成为了科学研究中的热点领域之一。类似于生物体的肌肉组织，人工肌肉的最重要特点在于能够在外界的电激励作用下产生弯曲或收缩运动，产生形变的同时输出一定的作用力，将人工肌肉置于需要运动的机器关节处，配合控制模块，能够实现设定的动作或完成相应任务，在智能制造以及仿生机器人的研究中，人工肌肉是其中的重要一环，有助于实现机器人的轻量化以及柔性化。

传统人工肌肉的实现方式一般是通过可变性的弹性腔体，通过气动或液动装置，将流体注入不同的腔室使之膨胀或收缩，配合阀门流道以及气泵或液泵，合理设计腔室之间的空间位置，可以实现弯曲，卷绕，伸缩等不同类型的运动形式。这种人工肌肉设计的优点是驱动力大，可以实现较为复杂的形状及结构。但其缺点是不能实现完全的柔性，需要大量的气泵、管道、阀门等刚性元器件，且因为腔室结构所以其体积往往较大，不利于某些需要微型器械的场合。

在传统人工肌肉之外，利用材料特性实现电致变形成为了新的研究方向之一。研究发现一类弹性聚合物材料能够在电刺激的作用下产生形变，因而将其命名为电活性聚合物。电活性聚合物分为电子型和离子型两大类，其中电子型电活性聚合物也即电场活性材料，通过电场中静电力作用诱导产生电致伸缩效应以及静电、压电和铁电效应，材料可在直流电场作用下产生诱导位移，例如介电弹性体，当加载电压后它将沿电力线方向产生收缩，并在与电力线垂直正交的平面内扩展延伸。这种材料通常需要较高的激励电场(>100V/μm)，接近击穿电场。离子型电活性聚合物通过聚合物中的离子移动来驱动执行器。离子型电活性聚合物往往需要相对较低的电压和较大的电流，能量效率相对较低，需要持续供能来维持形状。这类聚合物通常在液体电离环境下操作，因此常用于生物体环境下的应用。

一类典型的离子型电活性聚合物是离子聚合物-金属复合材料，由离子聚合物薄膜和镀在薄膜表面的金属电极组成。离子聚合物膜内，含有大量的阳离子以中和共价键合在聚合物骨架上的阴离子。这种复合材料可以在较低的驱动电压和低阻抗下产生较大的应变。电场导致离子浓度的改变，从而吸引水分子移向聚合物的一侧，非均匀分布的水分子导致驱动器一侧溶胀而另一侧收缩，导致层状结构向电极的一边弯曲。本发明中即是基于这种离子聚合物-金属复合材料的设计来构建人工肌肉。

液态金属是一种熔点在室温范围内的金属材料，通常以镓基合金为主，包括铟、锡、铋等元素。目前利用液态金属材料可以实现柔性电子电路的打印，可以应用于皮肤电子以及可穿戴设备等，还可以通过喷涂等方式，让液态金属结合在其他物体表面上。

传统的离子聚合物-金属复合材料制作人工肌肉，需要用到铂或金等材料及其化合物，化学沉积的方法较为复杂，且工艺中所涉及的加热等操作也具有一定的危险性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电驱动的人工肌肉及其制备方法，结合液态金属的打印及喷涂性能，使用液态金属作为电极材料，用离子交换膜制成，是一种离子交换聚合物金属材料(IPMC)；本发明利用液态金属材料以及电活性聚合物制作人工肌肉的方法，相比于传统化学沉积方法，简化了制造工艺，降低了成本并提高性能，有助于推动人工肌肉研究与应用的进一步拓展。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电驱动的人工肌肉，包括可喷涂、印刷或打印的液态金属柔性电极2、电活性聚合物材料3以及柔性封装材料4，其中液态金属柔性电极2覆盖在电活性聚合物材料3的一个或者两个表面，即仅正极或负极采用液态金属柔性电极2或者正负极均采用液态金属柔性电极2，柔性封装材料4包裹在液态金属柔性电极2以及电活性聚合物材料3的外部，起到对液态金属柔性电极2的保护作用。

所述液态金属柔性电极2可选取不同的液态金属材料，如金属镓、不同配比下的低熔点镓基合金等，可根据印刷打印性能以及对环境适应性的要求来选取液态金属电极材料。

所述电活性聚合物材料3为在外加电场的作用下能够发生包括弯曲、伸缩在内的形变的电活性聚合物，如质子交换膜等。

电活性聚合物材料3可使用不同类型的电活性聚合物，如质子交换膜等，在外加电场的作用下可以发生弯曲、伸缩等形变。

当液态金属柔性电极2覆盖在电活性聚合物材料3的一个表面时，另一电极为金或铂的薄层5。

所述电活性聚合物材料3为单层或者多层，当为多层时，各层上均分别设置有液态金属柔性电极2，层叠组成厚度更高弯矩更大的人工肌肉组织。

所述人工肌肉以不同方向在三维空间中放置组合，从而形成能够在多个方向变形或弯曲的复杂人工肌肉组织。

对电活性聚合物材料3，在表面喷涂或打印液态金属材料之前，需要通过浸泡或润湿使得电活性聚合物材料3内部分布足够的离子水合物。

本发明还提供了所述电驱动的人工肌肉的制备方法，在电活性聚合物材料3表面均匀喷涂液态金属柔性电极材料，形成液态金属柔性电极2，然后用电极夹连接液态金属柔性电极2与外部电源，进而在液态金属表面喷涂形成柔性封装材料4，起到对液态金属柔性电极2的保护作用。

所述电活性聚合物材料3选择Nafion 117质子交换膜，去除表面杂质后，浸泡在1摩尔每升的氯化钠溶液中约1个小时，取出后喷涂液态金属柔性电极材料；所述液态金属选用镓的质量分数为75％，铟的质量分数为25％的镓铟合金；喷涂完成后对质子交换膜进行切边处理，避免正负电极短路；在进而在液态金属表面喷涂PVC溶液，待PVC溶液中溶剂蒸发后，留下一层PVC薄膜即柔性封装材料4。

所述液态金属柔性电极材料喷涂在电活性聚合物材料3的一个或者两个表面，即仅正极或负极采用液态金属柔性电极2或者正负极均采用液态金属柔性电极2，当液态金属柔性电极2覆盖在电活性聚合物材料3的一个表面时，电活性聚合物材料3的另一表面通过化学沉积的方法形成的金或铂的薄层5，作为另一电极。

与现有技术相比，本发明所实现的基于液态金属的电驱动人工肌肉，通过将液态金属材料打印或喷涂在电活性聚合物表面，可以在外加电场作用下产生弯曲或其他形变。相比于现有的机械装置人工肌肉，简化了产品体积以及控制的便携性，相比于已有的铂或金材料进行化学沉积形成的人工肌肉组织，本发明所提出的方案工艺步骤更少，成本更低且不需要用到危险化合物，在医疗器械设计、工业产品制造以及机器人等领域都有着广泛用途。

附图说明

图1是本发明提供的一种电致驱动人工肌肉的结构示意图，电活性聚合物材料两侧的正负电极都为液态金属柔性电极。

图2是本发明提供的一种电致驱动人工肌肉的结构示意图，电活性聚合物材料的正极电极材料为液态金属柔性电极，负极电极材料为金元素化学镀层。

图3是本发明电致驱动人工肌肉在施加电压后产生定向弯曲的示意图。

图4是本发明提供的电致驱动人工肌肉复合结构的示意图，将多层电致驱动人工肌肉叠加起来以提高人工肌肉的驱动力矩。

图5是本发明提供的电致驱动人工肌肉复合结构的示意图，将人工肌肉以不同方向在三维空间中放置，从而形成能在多个方向变形或弯曲的复杂人工肌肉组织。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

图1和图2为本发明提供的一种电致驱动人工肌肉的结构示意图，也是本发明的两个实施例。

首先将电活性聚合物材料3通过双氧水加热浸泡约10分钟，具体到本实施例中，电活性聚合物材料3选择Nafion 117质子交换膜，去除表面杂质后，然后将Nafion 117膜浸泡在1摩尔每升的氯化钠溶液中约1个小时。取出Nafion 117质子交换膜，在交换膜表面均匀喷涂液态金属柔性电极材料，具体到本实施例中，液态金属选用镓的质量分数为75％，铟的质量分数为25％的镓铟合金。喷涂完成后对质子交换膜进行切边处理，避免正负电极短路。然后用电极夹连接液态金属柔性电极材料与外部电源。进而在液态金属表面喷涂PVC溶液，待PVC溶液中溶剂蒸发后，留下一层PVC薄膜也即柔性封装材料4，起到对液态金属柔性电极2的保护作用。

液态金属柔性电极材料可喷涂在电活性聚合物材料3的两个表面，即正负极均采用液态金属柔性电极2，如图1所示。

液态金属柔性电极材料可喷涂在电活性聚合物材料3的一个表面，即正极采用液态金属柔性电极2，电活性聚合物材料3的另一表面通过化学沉积的方法形成的金或铂的薄层5，作为负极，如图2所示。

电致驱动人工肌肉组装完成后，在电极上施加5V～10V的直流电压，则人工肌肉向正极方向弯曲，如图3所示。

在制成单层的液态金属电致驱动人工肌肉之后，可以将多个人工肌肉叠加起来，制成多层人工肌肉，并对多层人工肌肉整体使用柔性封装材料4进行封装。多层人工肌肉可以提高人工肌肉的输出力矩，应用于对力量有较高要求的场合，如图4所示。

将两片电致驱动人工肌肉1以相反方向首尾固定在一起，并在空间中将四组这样的人工肌肉首尾相接组成一个矩形，在施加电压后单组人工肌肉向相反方向产生弯曲，并使得这一组人工肌肉长度减小，宽度增加。四组人工肌肉组合起来就可以实现对矩形大小的控制。如图5所示。也可以以其他形态对电致驱动人工肌肉进行组合，从而实现更复杂的形状变化或驱动形态等。

本发明所提出的电致驱动人工肌肉设计，可以用于物体尤其是生物样品的夹持，微流体中流道的控制以及微型机器人的动力装置等，驱动方式以及结构较为简单，占用空间小，制备过程安全简便，具有广泛的应用空间与价值。

最后所应说明的是，以上基于液态金属的一种电致驱动人工肌肉的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电驱动的人工肌肉，其特征在于，包括可喷涂、印刷或打印的液态金属柔性电极(2)、电活性聚合物材料(3)以及柔性封装材料(4)，其中液态金属柔性电极(2)覆盖在电活性聚合物材料(3)的一个或者两个表面，即仅正极或负极采用液态金属柔性电极(2)或者正负极均采用液态金属柔性电极(2)，柔性封装材料(4)包裹在液态金属柔性电极(2)以及电活性聚合物材料(3)的外部，起到对液态金属柔性电极(2)的保护作用。

2.根据权利要求1所述的电驱动的人工肌肉，其特征在于，所述液态金属柔性电极(2)采用金属镓或不同配比下的低熔点镓基合金，所述电活性聚合物材料(3)采用质子交换膜。

3.根据权利要求1所述的电驱动的人工肌肉，其特征在于，所述电活性聚合物材料(3)为在外加电场的作用下能够发生包括弯曲、伸缩在内的形变的电活性聚合物。

4.根据权利要求1所述的电驱动的人工肌肉，其特征在于，当液态金属柔性电极(2)覆盖在电活性聚合物材料(3)的一个表面时，另一电极为金或铂的薄层(5)。

5.根据权利要求1所述的电驱动的人工肌肉，其特征在于，所述电活性聚合物材料(3)为单层或者多层，当为多层时，各层上均分别设置有液态金属柔性电极(2)，层叠组成厚度更高弯矩更大的人工肌肉组织。

6.根据权利要求1所述的电驱动的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉以不同方向在三维空间中放置组合，从而形成能够在多个方向变形或弯曲的复杂人工肌肉组织。

7.权利要求1所述的电驱动的人工肌肉的制备方法，其特征在于，在电活性聚合物材料(3)表面均匀喷涂液态金属柔性电极材料，形成液态金属柔性电极(2)，然后用电极夹连接液态金属柔性电极(2)与外部电源，进而在液态金属表面喷涂形成柔性封装材料(4)，起到对液态金属柔性电极(2)的保护作用。

8.根据权利要求7所述的电驱动的人工肌肉的制备方法，其特征在于，所述电活性聚合物材料(3)选择Nafion 117质子交换膜，去除表面杂质后，浸泡在1摩尔每升的氯化钠溶液中约1个小时，取出后喷涂液态金属柔性电极材料；所述液态金属选用镓的质量分数为75％，铟的质量分数为25％的镓铟合金；喷涂完成后对质子交换膜进行切边处理，避免正负电极短路；在进而在液态金属表面喷涂PVC溶液，待PVC溶液中溶剂蒸发后，留下一层PVC薄膜即柔性封装材料(4)。

9.根据权利要求7所述的电驱动的人工肌肉的制备方法，其特征在于，所述液态金属柔性电极材料喷涂在电活性聚合物材料(3)的一个或者两个表面，即仅正极或负极采用液态金属柔性电极(2)或者正负极均采用液态金属柔性电极(2)，当液态金属柔性电极(2)覆盖在电活性聚合物材料(3)的一个表面时，电活性聚合物材料(3)的另一表面通过化学沉积的方法形成的金或铂的薄层(5)，作为另一电极。

10.根据权利要求7所述的电驱动的人工肌肉的制备方法，其特征在于，在表面喷涂或打印液态金属柔性电极材料之前，通过浸泡或润湿使得电活性聚合物材料(3)内部分布足够的离子水合物。