一种可在水面自由行走的石墨烯软体机器人及其制备方法与流程

p2o5在60℃下分散在80ml浓h2so4中，随后缓慢加入20g石墨粉，在80℃下反应5h。冷却到室温后，用去离子水缓慢稀释并静置分层。弃掉上清液后用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯滤膜抽滤，上层滤饼用3l去离子水洗涤后自然干燥。在第二步氧化阶段，将预氧化产物分散在460ml浓h2so4中并在冰盐浴内不断搅拌，使温度降至0-3℃。在搅拌下缓慢加入60g kmno4，并始终保持温度在5℃以下。随后将混合反应液加热到35℃并搅拌2h，用1.5l去离子水稀释后升温至85℃再搅拌2.5h。依次加入1.5l去离子水和500ml h2o2终止反应并将反应液自然冷却至室温。产物静置两天分层后，弃掉上清液，将底部沉淀物离心分离，取分离后的沉淀物，并依次用1m hcl溶液和去离子水洗涤至ph～6，得到浓度为5-10mg/ml的氧化石墨烯分散液。
19.所述的石墨粉的参数特点为天然鳞片石墨，平均尺寸45μm。
20.所述的氧化石墨烯水分散液的浓度为5-10mg/ml，所述的硅烷与氧化石墨烯膜的质量比为1-5μl/mg。
21.所述的自支撑的氧化石墨烯薄膜的厚度在10-50μm。
22.所述的硅烷为甲基三甲氧基硅烷或者甲基三乙氧基硅烷。
23.所述反应是在加入硅烷将干燥器密封后在160-180℃下反应1-3h。
24.三、石墨烯软体机器人的水面游动控制方法：
25.将软体机器人置于水面，用激光对软体机器人的局部部位进行照射，软体机器人在光热效应下局部温度上升，导致水的表面张力产生梯度，进而驱动在水面移动。
26.用激光可以对软体机器人的单个局部部位或者同时多个局部部位进行照射。
27.并且能够通过改变照射的位点和方向，控制软体机器人的运动轨迹。
28.所述的激光的波长为520-980nm范围，功率为50-150mw范围。
29.所述的激光为空间光光源，如可见光、红外光等。
30.本发明的创新性在于采用硅烷蒸气进行同步还原、交联和疏水改性的方法处理了氧化石墨烯获得了兼具超疏水性、光热转化能力及力学强度的石墨烯薄膜，且能够利用其受激光照射发热的特性漂浮在水面上游动。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
32.(1)制备的软体机器人结构简单，力学性能好，可由机械切割赋予不同形状，对不同形态的软体机器人均有适用性；
33.(2)石墨烯薄膜由氧化石墨烯成膜后，经硅烷蒸气在高温下进行同步还原、交联和疏水改性制得，制备工艺简单；
34.(3)软体机器人具有超疏水性，可在水面漂浮，可减少与水面间的阻力，驱动效率高；
35.(4)软体机器人具有光热转化能力，可在光照下发热，由马兰戈尼效应驱动其在水面自由行走，具有操控简单，便于遥操控等优势。
附图说明
36.图1是水在石墨烯软体机器人表面的接触角。
37.图2为氧化石墨烯膜和硅烷改性石墨烯膜的力学拉伸曲线图。
具体实施方式
38.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
39.本发明的实施例如下：
40.实施例1：
41.氧化石墨烯由石墨粉经改进的hummer法制备，分散在水中得到氧化石墨烯水分散液，控制其浓度为5mg/ml。
42.用聚四氟乙烯滤纸对氧化石墨烯分散液进行抽滤，将滤饼自然干燥后从滤纸表面剥离，得到自支撑的氧化石墨烯薄膜。通过控制所用分散液的体积调控所得薄膜厚度在10μm。
43.随后将氧化石墨烯薄膜置于干燥器内，同时将盛有硅烷(如甲基三甲氧基硅烷)的培养皿也放入其中，硅烷与氧化石墨烯的质量比控制在2μl/mg，将干燥器密封后在160℃下反应3h，将反应物取出，抽真空三次以去除未反应的硅烷，得到改性石墨烯薄膜。如图1所示，该改性石墨烯薄膜具有超疏水性，水在其表面的接触角高达153.9
°
。该改性石墨烯薄膜还具有很好的力学性能，其拉伸强度高达26mpa(图2)，相较于未改性的氧化石墨烯薄膜，有明显提升。
44.用数字化机械切割机将石墨烯薄膜切割成鱼状，得到仿生鱼软体机器人。将该软体机器人置于水面，用波长为780nm，功率为100mw的激光对软体机器人特定部位进行照射，在光热效应下局部温度上升，导致水的表面张力产生梯度，进而驱动其在水面移动。通过改变照射位点和方向，控制软体机器人的运动轨迹。
45.实施例2：
46.氧化石墨烯由石墨粉经改进的hummer法制备，分散在水中得到氧化石墨烯水分散液，控制其浓度为8mg/ml。
47.将氧化石墨烯分散液倒入聚四氟乙烯模具中，干燥成膜后从模具中取出，得到自支撑的氧化石墨烯薄膜。通过控制所用分散液的体积调控所得薄膜厚度在20μm。
48.随后将氧化石墨烯薄膜置于干燥器内，同时将盛有硅烷(甲基三乙氧基硅烷)的培养皿也放入其中，硅烷用量与氧化石墨烯质量比控制在5μl/mg，将干燥器密封后在180℃下反应1h，将反应物取出，抽真空三次以去除未反应的硅烷，得到改性石墨烯薄膜。
49.用数字化机械切割机将石墨烯薄膜切割成水黾状，得到仿生水黾软体机器人。将该软体机器人置于水面，用波长为808nm，功率为50mw的激光对软体机器人特定部位进行照射，在光热效应下局部温度上升，导致水的表面张力产生梯度，进而驱动其在水面移动。


技术特征：
1.一种可在水面自由行走的石墨烯软体机器人，其特征在于：所述的软体机器人由疏水性的石墨烯薄膜经机械切割后构成。2.根据权利要求1所述的一种可在水面自由行走的石墨烯软体机器人，其特征在于：所述的疏水性的石墨烯薄膜是主要由氧化石墨烯成膜后经硅烷蒸气在高温下进行同步还原、交联和疏水改性制得。3.根据权利要求1所述的一种可在水面自由行走的石墨烯软体机器人，其特征在于：所述的软体机器人经机械切割成鱼状或者水黾状。4.应用于权利要求1-3任一所述石墨烯软体机器人的制备方法，其特征在于：所述的方法包括：1)经改进的hummer法制备获得氧化石墨烯，分散在水中得到氧化石墨烯水分散液；2)采用氧化石墨烯水分散液通过抽滤、旋涂、滴涂等工艺制备获得自支撑的氧化石墨烯薄膜；3)将自支撑的氧化石墨烯薄膜置于干燥器内，加入硅烷反应后取出，抽真空三次以去除未反应的硅烷，得到改性石墨烯薄膜。5.根据权利要求1所述的石墨烯软体机器人的制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯水分散液的浓度为5-10mg/ml，所述的硅烷与氧化石墨烯膜的质量比为1-5μl/mg。6.根据权利要求1所述的石墨烯软体机器人的制备方法，其特征在于：所述的自支撑的氧化石墨烯薄膜的厚度在10-50μm。7.根据权利要求1所述的石墨烯软体机器人的制备方法，其特征在于：所述的硅烷为甲基三甲氧基硅烷或者甲基三乙氧基硅烷。8.根据权利要求1所述的石墨烯软体机器人的制备方法，其特征在于：所述反应是在加入硅烷将干燥器密封后在160-180℃下反应1-3h。9.应用于权利要求1-3任一所述石墨烯软体机器人的水面游动控制方法，其特征在于：将软体机器人置于水面，用激光对软体机器人的局部部位进行照射，软体机器人在光热效应下局部温度上升，导致水的表面张力产生梯度，进而驱动在水面移动。10.根据权利要求9所述石墨烯软体机器人的水面游动控制方法，其特征在于：所述的激光的波长为520-980nm范围，功率为50-150mw范围。

技术总结
本发明公开了一种可在水面自由行走的石墨烯软体机器人及其制备方法。软体机器人由疏水性的石墨烯薄膜经机械切割成，石墨烯薄膜由氧化石墨烯成膜后经硅烷蒸气在高温下进行同步还原、交联和疏水改性制得，制备是经改进的Hummer法制备获得氧化石墨烯，分散在水中得到氧化石墨烯水分散液；采用氧化石墨烯水分散液通过抽滤、旋涂、滴涂等工艺制备获得自支撑的氧化石墨烯薄膜；将自支撑的氧化石墨烯薄膜置于干燥器内，加入硅烷反应后取出，抽真空三次以去除未反应的硅烷，得到改性石墨烯薄膜。本发明的软体机器人具有光热转化能力，可在光照下发热，由马兰戈尼效应驱动其在水面自由行走。走。走。


技术研发人员：肖建亮 张磊 马庶祺
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/3/21