一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法、系统及应用

摘要

本发明提供一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法、装置及应用，将弯曲的人工肌肉两端固定，驱动光源照射人工肌肉，其中人工肌肉的原材料为掺杂了光吸收剂的光致形变高分子材料，在驱动光源的刺激下人工肌肉自持续性地由弯曲结构产生局部收缩和膨胀产生波浪结构，其中波浪结构包括但不限于：扭转波、边缘波、中心波，该人工结构在不同的结构性光斑照射下可自发产生不同的波形且波形可朝着一定方向传播，且该人工肌肉可实现任意蠕动波浪的结构性编程，进而应用在各类波浪控制场景中。

说明书

技术领域

本发明涉及能源机械转换领域，特别涉及一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法、系统及应用。

背景技术

构筑一个具有自适应能力和自主的软机器人系统，使得具有可编程的形状变形在科学和工程方面具有应用前景。对于生物系统，如腹足类等，可以将其柔软的片状组织变形为三维波浪形态，并通过自振荡产生波浪运动，在自动推进、运输等方面提供了一种通用而简便的方法。然而，为了人工生成波浪运动，传统的机器人系统需要集成许多离散的驱动器，每个驱动器之间都以一种协调的方式进行单独控制和供能，这不可避免地导致了波浪系统在设计、制造、控制和供能等方面的复杂性，特别是当一个机器人系统的尺寸缩小到毫米甚至更小的时候，将变得不可能。

软智能形变材料具有材料本身固有的智能变形行为，并能够在恒定的、静态的能量驱动下进行自振荡运动，可以赋予人造机器人系统自主智能特点，从而有效地降低系统的复杂性。科学家和工程师试图用两种形变材料来制造波浪运动：凝胶材料和光敏液晶聚合物。前者利用了Belouzov-Zhabotinsky反应产生的化学振荡，诱导凝胶自发的产生膨胀-消胀振荡，形成波状变形。然而，凝胶材料必须在潮湿的环境下工作，而大多数工程应用在干燥的环境下工作。

尽管之前做出了许多创造性的努力，但到目前为止，在人造软机器人系统中开发出来的波浪在形态和功能上与从生物有机体中观察到的相比，仍然远远没有达到多样性的范畴。例如，海蛞蝓片状脚踏板上的波浪运动使它们能在海床上自由爬行；哺乳动物肠道内的蠕动波使食物沿着肠道顺利运输。也就是说，目前的软机器人的方案还远远达不到生命体层面的波浪形态，无法实现波浪的自主传播，进而限制了推进、运输等诸多领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法、系统及应用，设计了一种能够自由收缩和膨胀的光响应人工肌肉，其在不同的结构性光斑照射下可自发产生不同的波形且波形可朝着一定方向传播，且该人工肌肉可实现任意蠕动波浪的结构性编程。

为实现以上发明目的，本方案提供了一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法，包括以下步骤：

将弯曲的人工肌肉两端固定，驱动光源照射人工肌肉，其中人工肌肉的原材料为掺杂了光吸收剂的光致形变高分子材料，在驱动光源的刺激下人工肌肉自持续性地由弯曲结构产生局部收缩和膨胀产生波浪结构，其中波浪结构包括但不限于：扭转波、边缘波、中心波。

第二实施例，本方案提供了一种光驱动人工肌肉自持续波动的装置，，包括：人工肌肉，其中人工肌肉的原材料为掺杂了光吸收剂的光致形变高分子材料；提供驱动光源的光照装置；将弯曲的人工肌肉两端固定，驱动光源照射人工肌肉，在驱动光源的刺激下人工肌肉由弯曲性结构自持续性地产生局部收缩和膨胀产生波浪结构，其中波浪结构包括但不限于：扭转波、边缘波、中心波。

第三实施例，本方案提供了一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法的应用，所述人工肌肉应用于制备爬行机器人，以作为爬行机器人的引擎以通过波浪驱动爬行机器人前进。

第四方面，本方案提供了一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法的应用，其特征在于，所述人工肌肉应用于制备传输装置，以作为传输装置的传送带以通过波浪驱动物体传输。

相较于现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：利用含有液晶基元的单体作为光致形变材料设计得到能够自由收缩和膨胀的光响应人工肌肉，其在不同结构性光斑照射下自发产生不同的波型，包括但不限于：扭转波、边缘波、中心波，且产生的波形能够朝着一定方向传播，另外也可以实现任意蠕动波浪的结构性编程。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的人工肌肉的制备原理方程式。

图2是根据本发明的一实施例的波浪系统驱动单元人工肌肉的处理制备方法。

图3是根据本发明的一实施例的人工肌肉的三种波浪运动模式及其相应的图案化光斑示意图。

图4是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统在光刺激下产生扭转波浪运动。

图5是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统在光刺激下产生边缘波浪运动。

图6是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统在光刺激下产生中心波浪运动。

图7是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统在光刺激下产生波浪运动，适用环境为气体、液体或气液界面。

图8是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统在聚集太阳光刺激下产生波浪运动。

图9是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统用于爬行机器人。

图10是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统用于物体传输装置。

图11是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统用于曲面、扭曲面或动态曲面。

图12是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统用于不同波浪编程。

图13是根据本发明的一实施例光驱动自持续波动机器人系统用于蠕动波浪编程。

具体实施方式

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本方案提供了一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法，包括以下步骤：

将弯曲的人工肌肉两端固定，驱动光源照射人工肌肉的任意位置，其中人工肌肉的原材料为掺杂了光吸收剂的光致形变高分子材料，在驱动光源的刺激下人工肌肉由弯曲性结构自持续地产生局部收缩和膨胀产生波浪结构。

当利用结构性光斑的光源时，人工肌肉产生波浪结构，所述波浪结构包括但不限于：扭转波、边缘波以及中心波。也就是说，通过以上的运动方式可实现光控人工肌肉至少产生三种自持续性的波浪运动行为：扭转波、边缘波、中心波。当然由于本方案的人工肌肉的波浪结构是可控的，故本方案还可实现可调性和可编程性的蠕动波，进而实现任意波列的传播轨迹的控制。

当使用均匀光斑的光源时，弯曲的材料在均匀光强的光斑照射下会产生收缩，人工肌肉由弯曲状态逐渐趋于平直状态。

具体的，所述驱动光源的光斑的光强由中间向两侧间隔增减时，所述人工肌肉产生扭转波，波浪运动的振幅0～2.5mm，频率0～2Hz；驱动光源的光斑的光强由中心向两侧递减时，所述人工肌肉产生边缘波，波浪运动的振幅0～1.5mm，频率0～1Hz；驱动光源的光斑由光强由中心向两侧递增时，所述人工肌肉产生中心波，人工肌肉产生中心波浪运动，波浪运动的振幅0～1.0mm，频率0～2Hz。

本方案的“自持续地”体现在：人工肌肉在不需要其他外力作用下，仅在驱动光源的照射下即可产生波浪结构。在光的持续稳定照射下，人工肌肉将自发地持续地波浪。

所述驱动光源沿着一定入射角度照射所述人工肌肉，使所述人工肌肉产生局部收缩和膨胀。其原理为：驱动光源提升人工肌肉光照射区域的温度，光照射区域的人工肌肉面内压应力增加导致人工肌肉朝着面外方向产生局部形变。值得一提的是，人工肌肉的弛豫变形与光源的光照呈反比，也就是说，光源的光照越强，人工肌肉对应的形变越弱。

本方案可通过改变驱动光源的入射角度、光强、光源光斑形状以及人工形状尺寸实现不同波浪结构、波浪频率和振幅的自由切换。这是一种全新的光驱动产生持续波浪运动的方法，在微机械系统、软体机器人和新能源等领域具有可观的潜在应用价值。

具体的，调节驱动光源的光强以调节人工肌肉产生波浪结构的运动速率，光照越强运动速率越快，扭转波频率0～2Hz；边缘波频率0～1Hz，中心波频率0～2Hz；调节光源光斑形状以调节人工肌肉产生波浪结构的运动范围。

在一些实施例中，驱动光源为非均匀性光斑，所述非均匀性光斑具有不同的光照梯度，以使得光照射区域的人工肌肉对应的产生不同波形并实现定向传播。由于光源是倾斜的，沿人工肌肉长轴方向上具有光强梯度，所以波浪从接近光源一侧产生，传播，并在另一端消失，从而波浪具有一定的方向性。在一些实施例中，所述非均匀性光斑是通过掩膜版或灰度图案形成的，光源在掩膜版或者灰度图案上产生的图案结构性光斑。所述图像结构性光斑可以由配有光掩膜版或灰度图的商业投影仪或其他光源产生。

当利用投影仪作为驱动光源，结构性灰度图作为结构性光斑，通过电脑切换灰度照片时，人工肌肉原位形成扭转波、边缘波和中心波，不同波浪可以原位自由切换。

当利用近红外光作为驱动光源，掩膜版产生结构性光斑，原位切换不同掩膜版时，人工肌肉原位形成扭转波、边缘波和中心波，不同波浪可以原位自由切换。

所述驱动光源为太阳光、紫外光、可见光、蓝光、红光和近红外光中的任意一种，驱动光源的选择取决于制备该纤维执行器的光吸收剂的类型，若光吸收剂吸收近红外光，则选择近红外光驱动光源。比如若光吸收剂为克酮酸菁染料，则选择近红外光作为驱动光源。

关于本方案提供的人工肌肉的制备方法如下：

使用模具将掺加光吸收剂的液晶弹性体低聚物初步成型得到片状薄膜前驱体，对片状薄膜前驱体进行单向拉伸后继续进行交联反应得到薄膜，将薄膜剪裁成一定尺寸条带状薄膜，即可得到人工肌肉。

片状薄膜前驱体具有通过化学交联反应形成弱交联网络，从模具中取出成型的未完全交联的片状薄膜前驱体，然后将片状薄膜前驱体物进行单轴拉伸应变，在固定拉伸应变后通过继续化学交联反应诱导并固定了拉伸后状态的片状薄膜，得到具有多自由度收缩膨胀形变的人工肌肉。

也就是说，本方案的人工肌肉为条带状薄膜材料，原材料内的光致形变高分子材料为液晶弹性体低聚体。其中液晶弹性体低聚物为含有液晶基元的单体，所述液晶弹性体低聚物与含有光热转换的光吸收剂通过键合或掺杂的方式通过烯醇点击反应、迈克尔加成反应和自由基聚合等方式在具有方形模具中初步聚合成型得到的片状薄膜前驱体具有化学交联反应形成的弱交联网络，片状薄膜前驱体在进行轴向拉伸时，液晶弹性体低聚物中的液晶基元得到取向，在拉伸操作后通过化学交联反应诱导并固定了液晶取向，进而得到可光致形变的人工肌肉。

片状薄膜前驱体在拉伸阶段时，硫醇基团和烯烃基团完全交联固化得到具有单轴取向的人工肌肉，该人工肌肉在光照时会沿液晶取向方向收缩，正交方向膨胀。

本方案中的光吸收剂在光照射下能够吸收光并转化为热，光吸收剂的材料可以是有机材料和无机材料，包含碳纳米管、石墨烯、光吸收染料、光吸收油墨等。且根据光吸收剂对光照的反应不同，可使用不同的驱动光源进行人工肌肉的操控。人工肌肉内掺杂的光吸收剂在驱动光源的照射下产生光热激发效应，光照射会提高人工肌肉的温度，温度变化进一步地触发光照射区域的变形。在一些实施例中，所述人工肌肉的原材料中的光吸收剂选择为近红外吸收染料，此时所述人工肌肉能够将近红外光转变为热实现光刺激以产生形变。当然，所述光吸收剂可根据需求被调整为吸收其他波段的光吸收剂，以实现人工肌肉对不同波段的光源作为光致形变效果。

在一具体的实施例中，片状薄膜前驱体的成分可选用含丙烯酸酯双键的液晶单体，含硫醇基团的交联剂以及光吸收剂的组合单体，组合单体溶解在有机溶剂中溶解得到混合溶液，震荡混匀混合溶液后加入催化剂催化组合单体之间发生化学交联，并置于模具初步固化形成片状薄膜前驱体。

在本方案的一实施例中，通过烯醇点击反应得到液晶弹性体低聚物，其中含丙烯酸酯双键的液晶单体选择RM82，含硫醇基团的单体选择DODT、PETMP，光吸收剂选择含丙烯酸酯反应基团的克酮酸菁染料，此时对应的人工肌肉可对近红外光做出响应选择RM82：克酮酸菁染料摩尔比9：1，DODT：PETMP摩尔比为3：1，反应物硫醇基团：丙烯酸酯基团摩尔比为1：1，有机溶剂选择为二氯甲烷。当然，其他满足该条件的组合单体也可作为人工肌肉前驱体的材料。

催化剂还可选用(DPA二正丙胺，HexAM己胺，TEA三乙胺,N，N，N

在拉伸阶段，可将薄膜拉伸10％～100％，并固定24-48h。本方案的实施例将薄膜拉伸50％；另外，本方案的一实施例中将薄膜拉伸后固定24h。

本方案得到的人工肌肉薄膜厚度为90～200μm，宽度2～6mm，长度6～40mm，且所述人工肌肉材料为光致形变材料，该人工肌肉在光照刺激下可产生收缩膨胀形变。

本方案提供了一种光驱动人工肌肉自持续波动的装置，包括：

人工肌肉，其中人工肌肉的原材料为掺杂了光吸收剂的光致形变高分子材料；

提供驱动光源的光照装置；

将弯曲的人工肌肉两端固定，驱动光源照射人工肌肉的任意位置，在驱动光源的刺激下人工肌肉自持续性地产生局部收缩和膨胀产生波浪结构。

在一些实施例中，光照装置是配有光掩膜版或灰度图的商业投影仪或其他光源以提供结构光图案的驱动光源。

关于该实施例二中提及的技术特征内容同于实施例一的技术特征内容，重复的技术特征内容在此不进行累赘说明。

本方案提供一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法或装置的应用，所述人工肌肉应用于制备爬行机器人，以作为爬行机器人的引擎以通过波浪驱动爬行机器人前进。所述人工肌肉应用于制备传输装置，以作为传输装置的传送带以通过波浪驱动物体传输。

另外由于本方案可产生三种不同波形：扭转波、边缘波、中心波。利用中心波凹凸起伏产生可编程蠕动的能力，由于驱动光源的光斑图案可以根据我们的需要进行人工调节，可以通过改变具有可编程性的光斑图案在人工肌肉上的任何位置产生蠕动，可以任意控制蠕动波列的传播轨迹，如菱形轨迹和三角形轨迹等。

在一些实施例中，人工肌肉置于各种气体环境，及高阻尼液体环境中。

在一些实施例中，人工肌肉置于各种曲面、扭曲面、动态曲面以及衣物。

为了验证本方案的技术内容，以下提供具体的实施例以进行示例说明：

制备实施例1：

人工肌肉的制备：

按照RM82：克酮酸菁染料摩尔比9：1，DODT：PETMP摩尔比为3：1，反应物硫醇基团：丙烯酸酯基团摩尔比为1：1，有机溶剂选择为二氯甲烷，震荡30s混匀，在混合溶液加入4wt％的DPA作为催化剂，振荡溶解后，将前驱体溶液倒入3cm◇3cm◇0.5cm方形模具中，在室温下反应3h后，小心地从模具上剥离得到未完全交联的薄膜前驱体；将制备的未完全交联的薄膜通过拉伸拉伸50％并固定24h使硫醇基团和丙烯酸酯基团完全反应交联固化得到单畴取向的液晶弹性体薄膜。最后，沿着平行于取向方向利用刀片裁剪成条带状矩形结构用作人工肌肉。

实施例1：

一种光驱动人工肌肉自持续波动产生扭转波的方法：

在制备例1中得到的人工肌肉长度为15mm，宽度3mm，厚度0.12mm，两端固定间距12mm，如图2所示；用近红外光源照射人工肌肉，其中近红外光源光斑尺寸为15mm×15mm，光强为～0.15W cm

结果：如图4所示，打开近红外光源后，人工肌肉产生持续的扭转波浪运动行为，频率和振幅分别为0.7Hz和1.7mm。图4下方的图示意该扭转波浪运动振幅和频率周期性变化。

实施例2：

一种光驱动人工肌肉自持续波动产生边缘波的方法:

重复实施例1的实验，不同的是近红外光光强为～0.2W cm-2，入射角30°，结构性光斑如图3所示。

结果：如图5所示，打开近红外光源后，人工肌肉产生持续的扭转波浪运动行为，频率和振幅分别为0.4Hz和1.5mm。图5下方的图示意该边缘波浪运动振幅和频率周期性变化。

实施例3：

一种光驱动人工肌肉自持续波动产生中心波的方法:

重复实施例1的实验，不同的是近红外光光强为～0.3W cm-2，入射角30°，结构性光斑如图3所示。

结果：如图6所示，打开近红外光源后，人工肌肉产生持续的扭转波浪运动行为，频率和振幅分别为1.5Hz和0.7mm。图6下方的图示意该中心波浪运动振幅和频率周期性变化。

实施例4：在流体内部的光驱动自持续波动机器人系统在光照下产生扭转波浪运动行为：

重复实施例1实验，不同的是将人工肌肉浸没在液体中或者气液界面上，结构性光斑如图3所示。

结果如图7所示，打开近红外光源后，纤维执行器的在光刺激下在流体界面或流体中产生持续的波浪运动。

可以看到本方案的人工肌肉可在水、硅油、饱和食盐水、乳液和稀释的牛奶中都产生持续的波浪运动。

实施例5：光驱动自持续波动机器人系统在聚集太阳光刺激下产生波浪运动：

重复实施例1实验，不同的是所用的光源为聚集太阳光。聚集太阳光的产生由太阳光直接照射在一个直径为20cm，焦距为12.5cm的菲涅尔透镜上，结构性光斑如图3所示。

结果：如图8所示：人工肌肉的在聚集太阳光照射下可以产生持续的波浪运动：扭转波、边缘波、中心波。

实施例6：光驱动自持续波动机器人系统用于爬行机器人的应用

在制备例1得到的人工肌肉固定在一个方形框内(外框15mm*6mm*1mm，内框12mm*4mm*1mm)。

结果：如图9所示：光照下，人工肌肉产生波浪运动，利用波浪运动使得爬行机器人能够进行定向移动。

实施例7：光驱动自持续波动机器人系统用于传输装置的应用

在制备例一得到的人工肌肉两端固定在一个倾斜的玻璃片上(人工肌肉长42mm，两端固定距离35mm，玻璃倾斜角15°)。

结果：如图10所示：光照下作为软电机和输送带，克服重力输送货物(质量～0.15g)。

实施例8：光驱动自持续波动机器人系统在曲面上应用

在制备例一得到的人工肌肉两端固定在一个塑料片上(人工肌肉长30mm，两端固定距离25mm)。

结果：如图11所示：光照下以在弯曲基底表面上工作，还可以在扭曲基板表面上工作，甚至可以适应动态弯曲的复杂表面，表现出优异的机械可塑性。

实施例9：光驱动自持续波动机器人系统在波型编程方面的应用

重复实施例1的实验，不同的是结构性光斑图案，结构性光斑图案如图12中的插图所示。

结果：如图12所示：通过控制图案化光斑可以在人工肌肉两侧产生波浪，也可以只在人工肌肉一侧产生波浪，也可以在人工肌肉两侧产生振幅不同的波浪，还可以将边缘波和中心波结合在一起的混合行进波。

实施例10：光驱动自持续波动机器人系统在蠕动波编程方面的应用

重复实施例1的实验，不同的是人工肌肉尺寸(宽度6mm)以及结构性光斑图案，结构性光斑如图13中的插图所示。

结果：如图12所示：由于光斑的图案可以根据我们的需要进行人工调节，因此可以任意控制波列的传播轨迹，如三角形轨迹、菱形轨迹和S型轨迹；可以使一个波列沿线性轨迹传播，而另一个波列沿多线轨迹运动传播，可以用来推动两个物体产生不同的运动轨迹。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。