摘要materials:合肥工业大学工业与装备技术研究院胡颖研究员和张晨初副研究员课题组materials,根据自然界中虾的身体结构和运动。 提出materials了一种由柔性执行器和铝外骨骼组成的可编程执行器。 通过改变外骨骼的宽度和角度materials,可以控制执行器的响应速度、扩展距离和方向。 在此基础上,设计了一种柔性爬行执行器。
关键词: Advanced Materials Technologies , 可编程执行器,柔性双层执行器,爬行执行器,合肥工业大学
双层致动结构是一种新型的智能结构,能够在外部刺激下进行自主重构,这引起了人们的极大兴趣,并被广泛应用于如仿生驱动、柔性电子、微型机器人等领域。其可以对各种外界刺激(如电场、pH、湿度、温度、光等),表现出不同的机械行为。在上述外部刺激类型中,光驱动执行器因其无系绳驱动、无接触、控制简洁等优点而成为最具吸引力的驱动方式之一。值得注意的是,光驱动双层结构执行器的驱动是由应力失配导致的,在外界刺激下,不同材料的应力失配导致软执行器按一定的规律弯曲。也就是说,在一定的外界刺激下,执行器的弯曲角度和弯曲方向相对稳定。如何对柔性执行器的运动模式进行可编程性控制是一个难点。
在软执行器可编程控制领域,人们做了大量的研究工作。例如,通过刻蚀沟槽、激光加工石墨烯结构和添加带槽的石蜡等。以上方法在制备双层结构的过程中需要添加各向异性结构,这些各向异性结构往往需要在柔性致动器的制作过程中进行制备,且一旦添加,就无法在不伤害执行器的情况下被移除。因此,如何对加工后的双层执行器进行无损伤的可编程操纵仍然是一个挑战。
在自然界中,虾的体内没有由脊椎骨组成的脊柱,而体表有坚硬的外骨骼,虾可以通过腹部迅速向前弯曲,使身体向后上方突然跃起。受此启发,设计出不同形状的外骨骼结构应用于软执行器上,在一定的外界刺激下表现出不同的机械行为。将外骨骼应用于柔性双层执行器具有许多优点:首先,外骨骼材料对双层结构没有伤害;其次,通过设计外骨骼的形状可以控制执行器的弯曲响应;第三,外骨骼可以对双层结构提供一定的保护。本实验中使用的双层膜材料是由碳纳米管(CNTs)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的CNTs/PDMS双层材料,是一种高性能的软执行器驱动材料。为了减少外骨骼重量对执行器的影响,外骨骼材料选用铝箔,因其重量轻、可塑性好、易制备各种形状。由于外骨骼覆盖双层结构的外表面,遮挡红外光,使裸露部分受到刺激,并为整体执行器提供物理支撑,因此可以根据裸露部分的形状实现不同的运动。
本文提出了一种快速、简单、无损的可编程柔性执行器制备方法。研究表明,随着外骨骼宽度的增加,执行机构的伸展(收缩)比和响应速度会降低。随着外骨骼角α的增大,执行机构的运动方向会随之增大。此外,设计了一种柔性爬行驱动器,其运动轨迹可以通过应用不同的外骨骼结构进行控制。执行器上未施加外骨骼时,在160秒内执行器直线爬行6.5毫米,向右爬行11.7毫米;执行器上施加外骨骼(外骨骼角α=5°,宽度为0.5mm)时,在160秒内直线爬行9.7mm,向右爬行0.3mm,实现了更好的直线爬行。这种简单、通用、高效、无损的方法能更好地提高软执行器的运动能力。由于该方案中的外骨骼结构对软执行器没有伤害,因此该方法可以应用于多种刺激响应软执行器上。
与传统的致动器相比,该执行器可以进行无损坏的重新编程,在生物系统、医学等领域显示出更大的潜力。相关论文在线发表在 Advanced MaterialsTechnologies 上。
WILEY
论文信息:
A Bioinspired Programmable Soft Bilayer Actuator Based on Aluminum Exoskeleton
Chenchu Zhang, Heng Zhang, Renfei Chen, Linhan Zhao, Hao Wu, Chaowei Wang, Ying Hu*
Advanced Materials Technologies
Advanced
Materials
Technologies
期刊简介
Advanced Materials Technologies创刊于2016年4月, 是一本刊载技术相关的衔接材料科学和实际应用的高质量期刊,着重于基于新材料的先进工程、器件设计和新技术。Advanced Materials Technologies于2017年初被Web of Science收录,最新的影响因子为7.848。
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