可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法

1.本发明涉及柔性致动器技术领域，特别是涉及一种可再编程柔性致动器，以及该可再编程柔性致动器的制备方法，还涉及该可再编程柔性致动器的驱动方法。


背景技术：

2.近年来，仿生软致动器因其优异的柔韧性和可操作性而得到广泛研究，显示出巨大的潜力和广阔的应用前景。随着仿生学研究的不断发展，该领域取得了丰硕的成果，推动了仿生研究的进步，特别是在仿生机器人方面。通过模仿各种生物模型，出现了许多仿生机器人，如硬机器人，连续体机器人和柔性机器人。而其中的柔性机器人可以很容易地表现出类似肌肉的运动，更好地模仿软体生物系统的运动，从而可以根据材料本身的各项特性实现复杂的运动和完成特定的任务。
3.目前的部分柔性机器人技术是将双层膜结构作为光热响应执行器，通过将外界的光热刺激转换为机械变形输出，进而实现多种致动功能。然而现有的柔性驱动器常采用单一双层膜结构，这种双层膜结构的运动能力有限，有时需要破坏膜层的表面形成沟槽以达到理想的运动效果。因此，在不破坏材料本身的情况下，单一的双层膜存在运动规律固定，无法满足实际应用中的各种致动需求，另外，致动器在膜层破坏之后也不能进行再次编程，在无损伤编程和重新编程上具有很大的局限性。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有技术中，单个柔性致动器的运动形式单一且无法重新编程的技术问题，本发明提供一种可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法。
5.本发明公开一种可再编程柔性致动器，其包括由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷上下叠置形成的柔性双层膜，以及至少一处石蜡结构。柔性双层膜以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称。柔性双层膜包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于对称面。柔性双层膜在自然状态下沿着对称面的延伸方向呈卷曲状态，以此形成开口向下的“c”型结构。石蜡结构呈条形的带状并附着在碳纳米管层的上表面。其中，当柔性双层膜处于平铺状态时，石蜡结构的延伸方向与首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[-30
°
，60
°
]，且首端和末端的长度均大于石蜡结构的宽度。
[0006]
作为上述方案的进一步改进，柔性双层膜在处于平铺状态时呈长方形或等腰梯形。
[0007]
其中，在平铺状态下的柔性双层膜为长方形时，长方形中较短的相对两侧分别构成首端和末端。在平铺状态下的柔性双层膜为等腰梯形时，等腰梯形中的下底和上底分别构成首端和末端。
[0008]
作为上述方案的进一步改进，在平铺状态下的柔性双层膜为长方形时，石蜡结构的宽度与长方形较短边的长度之间的比例为1:8。
[0009]
在平铺状态下的柔性双层膜为等腰梯形时，石蜡结构的宽度与等腰梯形的下底长
度之间的比例为1:8。
[0010]
作为上述方案的进一步改进，石蜡结构的厚度为48-54μm。
[0011]
本发明还公开一种可再编程柔性致动器的制备方法，其用于制备上述任意一项可再编程柔性致动器。制备方法包括以下步骤：
[0012]
s1.提供特定形状及尺寸的柔性双层膜。其中，柔性双层膜由上下叠置的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷组成。
[0013]
s2.将预设量的熔融石蜡附着在平铺状态下的柔性双层膜的碳纳米管层表面，经冷却后凝结成固态的石蜡层。
[0014]
s3.获取目标石蜡图案并以此通过红外纳秒激光在石蜡层上扫描，对目标石蜡图案以外的石蜡层进行蒸发清除，进而在碳纳米管层的表面生成目标图案的石蜡结构。
[0015]
作为上述方案的进一步改进，s1中，通过在一个纳秒激光加工系统的操作界面中绘制特定形状和尺寸的双层膜平铺图案，并导入标刻软件上，然后通过系统的激光器对平铺状态的柔性双层膜基材发射激光光束，以裁切加工出特定形状及尺寸的柔性双层膜。
[0016]
作为上述方案的进一步改进，s1中，激光器的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100khz。
[0017]
作为上述方案的进一步改进，s3中，红外纳秒激光的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100khz，激光功率为24w，加工速度为3500mm/s，扫描间距为1μm。
[0018]
作为上述方案的进一步改进，s2中，在进行碳纳米管层表面的石蜡附着之前，还在熔融石蜡中混合黑色石蜡色素并搅拌。其中，黑色石蜡色素和熔融石蜡的质量比为1:8。
[0019]
本发明还公开一种柔性致动器的驱动方法，其用于驱使上述任意一项可再编程柔性致动器进行爬行运动。驱动方法包括以下步骤：
[0020]
将柔性致动器以“c”型结构开口向下的自然状态放置在载台上。
[0021]
利用近红外激光对柔性致动器进行扫描照射。其中，近红外激光的光斑落在碳纳米管层上表面，并从柔性双层膜的末端中点开始，沿着对称面投影在碳纳米管层上表面所形成的曲线移动至首端中点，以此实现单次的扫描照射。
[0022]
与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：
[0023]
1、本发明提供的可再编程操纵柔性致动器，通过在柔性结构上施加各向异性结构(即石蜡结构)，可改变柔性致动器的运动轨迹。相较于传统单一的双层膜运动规律固定，且在不破坏柔性双层膜材料本身的情况下，难以满足实际作业的各种需求。本发明通过给柔性材料施加不损伤自身结构的各向异性结构，更好地在保护柔性结构的情况下，进行可编程操纵。而石蜡的高温清除、常温凝固特性使致动器的可再编程灵活性更具优势，通过对致动器上添加或清除石蜡，可以让同一致动器实现不同的运动方式，不仅编程效率大大提升，也是对工作效率的极大提升。这对软致动器方向的研究具有重大意义。
[0024]
2.本发明提出的利用纳秒激光加工工艺在光热响应材料上黏附软外壳结构来制备柔性致动器的方法具有低成本、简洁和无损的特点。该致动器可实现爬行功能，通过调节石蜡结构的宽度和倾斜角可以控制爬行速度和偏移方向，改变了其原本单一的运动策略。与传统致动器相比，能够更积极地应对复杂环境变化，并且通过全光控无接触操纵，编程效率大大提升。将为具有多功能和复杂变形的可重编程、自修复和光驱动软机器人开辟一条新的道路，在未来智能机器人和仿生领域具有重大的启发意义和应用。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例1中的可再编程柔性致动器的立体结构示意图；
[0026]
图2为图1中柔性致动器在平铺状态下的俯视示意图；
[0027]
图3为本发明实施例2中的纳秒激光加工系统的示意图；
[0028]
图4为本发明实施例2中加工柔性双层膜时的示意图；
[0029]
图5为本发明实施例2中制备石蜡时的示意图；
[0030]
图6为本发明实施例2中利用纳秒激光器清楚多余石蜡层的示意图；
[0031]
图7为本发明实施例2中柔性致动器的驱动示意图；
[0032]
图8为本发明实施例2中不同柔性致动器的运动轨迹示意图；
[0033]
图9为本发明实施例2中原始运动轨迹和沿直线爬行运动轨迹的对照图。
[0034]
主要元件符号说明
[0035]
1、柔性双层膜；11、碳纳米管层；12、聚二甲基硅氧烷层；2、石蜡结构；31、第一透镜；32、第二透镜；33、第三透镜；34、计算机；35、纳秒激光器；36、衰减片；37、反光镜；38、ccd图像传感器；39、双色镜；310、高倍物镜；311、加工材料；312、加工平台；4、载玻片；5、加热台；6、滴定管；7、石蜡色素；8、熔融石蜡；9、二维移动工作台。
[0036]
以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
[0039]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0040]
实施例1
[0041]
请参阅图1，本实施例提供一种可再编程柔性致动器，其包括由碳纳米管层11和聚二甲基硅氧烷层12上下叠置形成的柔性双层膜1，以及一处石蜡结构2。
[0042]
柔性双层膜1以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称。柔性双层膜1包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于对称面。其中，致动方向是指由柔性双层膜的前后方向，即首端终点和末端终点的连线方向。
[0043]
柔性双层膜1在自然状态下沿着对称面的延伸方向呈卷曲状态，以此形成开口向下的“c”型结构。柔性双层膜1在处于平铺状态时，可呈长方形或等腰梯形。
[0044]
本实施例中，柔性双层膜1呈长方形，长24mm，宽4mm。在长方形中较短的相对两侧
分别构成首端和末端。
[0045]
请结合图2，石蜡结构2呈条形的带状并附着在碳纳米管层11的上表面。当柔性双层膜1处于平铺状态时，石蜡结构2的延伸方向与首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[-30
°
，60
°
]，且柔性双层双层膜1首端和末端的长度均大于石蜡结构2的宽度。本实施例中，石蜡结构2在平铺时呈平行四边形，且石蜡结构2的宽度为0.5mm，即石蜡结构2的宽度与柔性双层膜1较短边的长度之间的比例为1:8。另外，石蜡结构2的厚度可以为48-54μm。
[0046]
当然，在其他实施例中，在平铺状态下的柔性双层膜1为等腰梯形时，等腰梯形中的下底(较长一边)和上底(较短一边)分别构成首端和末端，并且石蜡结构2的宽度与等腰梯形的下底长度之间的比例为1:8。
[0047]
实施例2
[0048]
本实施例提供一种可再编程柔性致动器的制备方法，其用于制备实施例1中的可再编程柔性致动器。该制备方法包括以下步骤：
[0049]
s1.提供特定形状及尺寸的柔性双层膜1。其中，柔性双层膜1由上下叠置的碳纳米管(cnts)和聚二甲基硅氧烷(pdms)组成。
[0050]
s2.将预设量的熔融石蜡8附着在平铺状态下的柔性双层膜1的碳纳米管层11表面，经冷却后凝结成固态的石蜡层。
[0051]
s3.获取目标石蜡图案并以此通过红外纳秒激光在石蜡层上扫描，对目标石蜡图案以外的石蜡层进行蒸发清除，进而在碳纳米管层11的表面生成目标图案的石蜡结构2。
[0052]
本实施例中，石蜡层是由微晶石蜡和黑色石蜡色素7融合制成。柔性双层膜1和石蜡结构2的形状，均是通过纳秒激光加工系统来进行制备的。
[0053]
如图3，纳秒激光加工系统包括：计算机34、纳秒激光器35、衰减片36、反光镜37、第一透镜31、第二透镜32、ccd图像传感器38、第三透镜33、双色镜39、高倍物镜310、加工材料311和加工平台312。
[0054]
纳秒激光器35为红外纳秒脉冲光纤激光器，通过计算机34控制纳秒激光器35的光闸开关，使纳秒激光器35发射激光光束，然后激光光束通过衰减片36，衰减片36能够调节激光光束功率的大小，从而光束到达反光镜37，通过反光镜37改变激光光路，激光再分别通过第一透镜31、第二透镜32，到达双色镜39，最后经过高倍物镜310聚焦后垂直照射到放置在加工平台312上的加工材料311。样品被固定在可移动的精密位移平台上进行加工，而平台则是通过计算机34控制位移进行加工。可见光透过双色镜39过滤掉多余红光进入ccd图像传感器成像，以便实时观察加工过程。
[0055]
在s1中，对柔性双层膜形状进行制备：如图4所示，通过在纳秒激光加工系统的操作界面中绘制(长24mm，宽4mm)的矩形结构，导入标刻软件上，然后通过纳秒激光器35发射激光光束进行加工。
[0056]
本实施例中，柔性双层膜1为cnts/pdms柔性双层膜，cnts层与pdms层为一个整体。激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100khz。通过纳秒激光器35对平铺状态的柔性双层膜1基材发射激光光束，以裁切加工出特定形状及尺寸的柔性双层膜1。
[0057]
在s2中，对石蜡进行制备：如图5所示，称取适量质量的微晶石蜡放置在载玻片4上，将载玻片4放置在设置温度为100℃的加热台5上，微晶石蜡迅速融化为液态。为了提升在激光加工过程中石蜡层的吸热性能，用滴定管6在熔融的石蜡中滴入两滴黑色石蜡色素
7，并用玻璃棒搅拌均匀，使石蜡色素7与熔融石蜡8充分混合。
[0058]
如图6所示，在s2中，把s1中加工好的柔性双层膜1平整地放在另一个载玻片上，并固定在一个二维移动工作台9上，将柔性双层薄膜结构的碳纳米管层11平行于熔融石蜡8表面迅速沾蘸并移开，在室温下附着在cnts层表面的熔融石蜡8迅速凝结成固体。本实施例中，可将还未完全凝固的石蜡层按压在一个干净的载玻片上，使石蜡层厚度更加均匀。
[0059]
s3中，再次通过纳秒激光器35清除石蜡层的多余部分，留下所需形状的石蜡。纳秒激光器35的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100khz，激光功率为24w，加工速度为3500mm/s，扫描间距为1μm。本实施例中，柔性双层膜1为矩形结构，因此在其表面形成的石蜡结构2的形状为平行四边形结构。
[0060]
本实施例中，还对不同的柔性致动器进行驱动实验。如图7所示，可以把柔性致动器放在刻度纸上。将波长808nm的近红外激光器作为驱动来源，激光器的输出功率范围在0至300mw，可聚焦照射3
×
1.5mm2的矩形区域。在照射驱动器前通过功率计测量输出功率，固定输出功率为250mw，以保证材料不受热损坏和良好的驱动性能。激光器的光斑沿致动器中心长轴扫描，激光器沿i、ii、iii三个位置顺序扫描，以此来驱动柔性致动器沿图中的前进方向(iv)爬行。由于致动器初始呈向下弯曲状态，当激光沿致动器中心线扫描时，由于致动器头部和尾部的摩擦力差异，致动器会向摩擦力更大的一侧运动。为了提升致动器的可操纵性，采用上述的等腰梯形状致动器，以产生更大的不对等摩擦；上底和下底的长度分别是2mm和4mm，两底之间直线距离10mm。其中，提供了以下三组对照实验。
[0061]
(a)当致动器未施加任何石蜡结构2的时候，按照上述的驱动方式，得到如图8a的运动轨迹。柔性致动器在160s内，水平向前的位移为13.5mm，向左的垂直位移为5mm。
[0062]
(b)当致动器上施加宽度为0.5mm、倾斜角为30
°
的石蜡结构时，按照上述同样的驱动方式，得到如图8b的运动轨迹。柔性致动器在160s内，水平向前的直线位移为13mm，垂直位移很小。(倾斜角α为石蜡斜边与水平方向的夹角)
[0063]
(c)当致动器上施加宽度为0.5mm、倾斜角为45
°
的石蜡结构时，按照上述同样的驱动方式，得到如图8c的运动轨迹。柔性致动器在56s内，水平向前的直线位移为9mm，向右垂直位移为4mm。
[0064]
经过分析，设定附着的石蜡结构宽度为0.5mm时，不易影响致动器的爬行速度。倾斜角分别选择30
°
和45
°
以补偿致动器初始偏移角，并达到大幅转向的目的。当石蜡结构倾斜角为30
°
时，致动器在160秒内沿水平方向爬行13mm，垂直位移很小。当石蜡结构倾斜角为45
°
时，致动器的运动方向开始向右偏移。由于倾斜角度的增加，致动器的初始收缩程度增加，首尾之间的间距减小。每次光照周期下的移动步长会增加，爬行速度可以显著增加，因此在56s内的水平位移即可达到9mm，垂直位移达到4mm。
[0065]
如图9所示，以致动器的右下角端点为观察点，分别以水平位移和垂直位移为横纵坐标，记录观察点原始运动轨迹和沿直线爬行运动轨迹。实验结果表明，通过在致动器上添加特定的石蜡软外壳结构，可以很好地控制致动器的运动方向和速度。
[0066]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0067]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种可再编程柔性致动器，其包括由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷上下叠置形成的柔性双层膜，其特征在于，所述柔性双层膜以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称；所述柔性双层膜包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于所述对称面；所述柔性双层膜在自然状态下沿着所述对称面的延伸方向呈卷曲状态，以此形成开口向下的“c”型结构；所述可再编程柔性致动器还包括至少一处石蜡结构；所述石蜡结构呈条形的带状并附着在碳纳米管层的上表面；其中，当所述柔性双层膜处于平铺状态时，所述石蜡结构的延伸方向与所述首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[-30
°
，60
°
]，且所述首端和所述末端的长度均大于所述石蜡结构的宽度。2.根据权利要求1所述的可再编程柔性致动器，其特征在于，所述柔性双层膜在处于平铺状态时呈长方形或等腰梯形；其中，在平铺状态下的所述柔性双层膜为长方形时，长方形中较短的相对两侧分别构成所述首端和所述末端；在平铺状态下的所述柔性双层膜为等腰梯形时，等腰梯形中的下底和上底分别构成所述首端和末端。3.根据权利要求2所述的可再编程柔性致动器，其特征在于，在平铺状态下的所述柔性双层膜为长方形时，所述石蜡结构的宽度与长方形较短边的长度之间的比例为1:8；在平铺状态下的所述柔性双层膜为等腰梯形时，所述石蜡结构的宽度与等腰梯形的下底长度之间的比例为1:8。4.根据权利要求1所述的可再编程柔性致动器，其特征在于，所述石蜡结构的厚度为48-54μm。5.一种可再编程柔性致动器的制备方法，其特征在于，其用于制备如权利要求1至4中任意一项所述的可再编程柔性致动器；所述制备方法包括以下步骤：s1.提供特定形状及尺寸的柔性双层膜；其中，所述柔性双层膜由上下叠置的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷组成；s2.将预设量的熔融石蜡附着在平铺状态下的所述柔性双层膜的碳纳米管层表面，经冷却后凝结成固态的石蜡层；s3.获取目标石蜡图案并以此通过红外纳秒激光在所述石蜡层上扫描，对所述目标石蜡图案以外的石蜡层进行蒸发清除，进而在所述碳纳米管层的表面生成目标图案的石蜡结构。6.根据权利要求5所述的可再编程柔性致动器的制备方法，其特征在于，s1中，通过在一个纳秒激光加工系统的操作界面中绘制特定形状和尺寸的双层膜平铺图案，并导入标刻软件上，然后通过系统的激光器对平铺状态的柔性双层膜基材发射激光光束，以裁切加工出特定形状及尺寸的所述柔性双层膜。7.根据权利要求6所述的可再编程柔性致动器的制备方法，其特征在于，s1中，所述激光器的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100khz。8.根据权利要求5所述的可再编程柔性致动器的制备方法，其特征在于，s3中，所述红外纳秒激光的激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，加工频率为100khz，激光功率为24w，加工速度为3500mm/s，扫描间距为1μm。
9.根据权利要求5所述的可再编程柔性致动器的制备方法，其特征在于，s2中，在进行碳纳米管层表面的石蜡附着之前，还在所述熔融石蜡中混合黑色石蜡色素并搅拌；其中，所述黑色石蜡色素和所述熔融石蜡的质量比为1:8。10.一种柔性致动器的驱动方法，其特征在于，其用于驱使如权利要求1至4中任意一项所述的可再编程柔性致动器进行爬行运动；所述驱动方法包括以下步骤：将所述柔性致动器以所述“c”型结构开口向下的自然状态放置在载台上；利用近红外激光对所述柔性致动器进行扫描照射；其中，所述近红外激光的光斑落在碳纳米管层上表面，并从所述柔性双层膜的末端中点开始，沿着所述对称面投影在碳纳米管层上表面所形成的曲线移动至首端中点，以此实现单次的扫描照射。

技术总结
本发明涉及一种可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法。该柔性致动器包括由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷上下叠置形成的柔性双层膜，以及石蜡结构。柔性双层膜以一个平行于致动方向的对称面呈镜像对称。柔性双层膜包括相对平行的首端和末端，且首端和末端的延伸方向均垂直于对称面。柔性双层膜在自然状态下沿着对称面的延伸方向呈卷曲状态，以形成开口向下的“C”型结构。石蜡结构呈条带状并附着在碳纳米管层表面。当柔性双层膜处于平铺状态时，石蜡结构的延伸方向与首端或末端延伸方向之间存在一个预设夹角α∈[-30


技术研发人员：张晨初 赵杰 王进
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.01.30
技术公布日：2023/6/7