仿生磁性温敏水凝胶软体机器人的设计及致动机理研究

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与传统刚性机器人不同,软体机器人多可承受大应变的柔软弹性材料如智能水凝胶、电活性聚合物、形状记忆聚合物、液晶弹性体等制成,具有多自由度和连续变形能力,可在大范围内任意改变自身形状和尺寸以适应复杂多变的非结构化环境。特别地,具有类似生物组织“软而湿”特点的智能水凝胶通过外部能量场微小变化发生变形而产生驱动力,在一定程度上实现了爬行、抓取等仿生运动的“无尾化”供源与控制,在靶向送药、微创手术等领域展现出独特的应用潜力。然而,智能水凝胶软体机器人仍然存在驱动速度慢、各部位运动位姿的精确控制的难题。因此,本文研发智能双网络交联磁性温敏水凝胶,以其为柔性驱动材料,开发新型仿生无尾驱动并能快速响应的磁驱动软体机器人。本文主要取得了以下研究进展:(1)以N-异丙基丙烯酰胺为单体,分别以纳米粘土Laponite为物理交联剂,BIS为化学交联剂,通过改变交联剂比例,制备了化学交联磁性温敏水凝胶,物理交联磁性温敏水凝胶及三种不同比例的双网络交联磁性温敏水凝胶,探讨了智能磁性温敏水凝胶的形成机制,探究了BIS与Laponite交联剂配比不同对其力学性能的影响规律。实验结果表明,与化学交联磁性温敏水凝胶及物理交联磁性温敏水凝胶相比,双网络交联磁性温敏水凝胶具有良好的力学性能。随着交联剂Laponite含量的增加,磁性温敏水凝胶的断裂伸长率、拉伸强度均得到了很大的提升,但在拉伸后应力保持率降低,材料回弹性降低。分析认为Laponite在凝胶过程中形成的物理交联网络由密集分布的聚合物链组成,其提高了水凝胶的可拉伸性能,但其相比于BIS作为交联剂发生化学反应产生的共价键在外力作用下更容易被破坏,所以在拉伸后表现为回弹性变差,容易发生应力松弛。(2)根据磁性温敏水凝胶在不同温度下的体积相变行为,分析其溶胀平衡规律,研究其在体积相变过程各类参数的变化规律,通过研究非离子型凝胶的化学势能变化方法,并结合Flory-Huggins混合自由能及弹性自由能理论修正模型,构建模拟磁性温敏水凝胶溶胀行为的数学模型。通过仿真计算发现,该模型能很好地模拟磁性温敏水凝胶的溶胀行为。实验结果表明,化学交联磁性温敏水凝胶、物理交联磁性温敏水凝胶以及双网络交联磁性温敏水凝胶产生体积相变的临界温度均在30℃左右,且随着物理交联剂Laponite含量的增加,水凝胶的体积相变程度越大,且平衡溶胀率在各个温度下都呈现出减小的趋势,保水率衰减幅度越大。(3)借助Comsol有限元仿真软件建立了三组两两正交的亥姆霍兹线圈的磁场模型。搭建了磁热和磁驱动实验平台,设计了不同磁编程结构的仿生软体机器人,并探究磁编程结构的不同对软体机器人磁场下变形规律的影响。通过实验研究发现添加了软磁颗粒四氧化三铁(Fe3O4)的温敏水凝胶软体机器人具有良好的磁热响应机制,研究磁性温敏水凝胶在高频交流磁场下的磁热行为,分析不同温度下其直径变化规律。添加了硬磁颗粒钕铁硼(Nd Fe B)的仿生智能温敏水凝胶软体机器人具有优异的磁致动快速响应性能,在三维磁场及梯度磁场调控下,具有不同磁编程结构的仿生软体机器人能快速完成移动、抓取、翻滚、游泳等运动行为。本文所研究的具有磁热及磁驱动双重响应的软体机器人能通过调控外部磁场对其进行精准的驱控,可有望无创进入血管、胃肠道等受限空间执行靶向载药等任务,将推动软体机器人在生物医学等领域的应用潜力。
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