IPMC人工肌肉的性能改进及其仿生扑翼应用探索

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微型扑翼飞行器的一个关键技术就是稳定、高效、低能耗的驱动器,目前使用的驱动技术主要有电机驱动、电磁驱动、压电驱动、介电弹性体驱动,这些驱动方式都能够实现扑翼飞行器的飞行,但也存在各种各样的缺点。因此,寻找更合适的驱动器仍然是微型扑翼飞行器领域的一个重要任务。离子聚合物金属复合物材料(Ionic polymer metal composite,IPMC)在低电压信号(<5 V)激励下就能够产生很大的弯曲变形,在交流信号激励下会发生往复振动,这种驱动行为与扑翼运动十分相似。因此,本文提出使用IPMC驱动器作为微型扑翼飞行器的驱动器,针对IPMC驱动器目前存在的问题开展研究。具体工作如下:(1)改进了离子液型IPMC的驱动性能。制备3种不同基膜孔道直径的IPMC驱动器,分别吸收离子液体(Ionic Liquid,IL)和Li Cl溶液,制备成IL-IPMC和Li-IPMC,并测试IPMC的电化学性能和机电性能,结果表明:工作介质相同时,随着孔径的增大,IPMC的输出位移有一定程度的增大;在同孔径下,Li-IPMC的响应速率是IL-IPMC的4~5倍。(2)建立了IPMC驱动器的多物理场模型。模型描述在电信号激励下膜内离子迁移导致机械变形的过程,使用COMSOL Multiphysics进行仿真模拟,获得膜内离子浓度变化和驱动器的机械变形,结果表明,输出位移的仿真结果与实验结果高度相似,验证了模型的正确性。(3)探索了IPMC驱动器的仿生扑翼应用。提出基于IPMC驱动的微型扑翼飞行器概念,设计并制作了重量为43.9 mg的仿生扑翼翅膀。在11~15 Hz的激励信号下对初始倾角为6°、8°、10°的翅膀进行测试,发现在激励信号为13 Hz时,产生的平均升力分别为0.5 m N,0.58 m N,0.4 m N,能够达到或接近翅膀的自重。
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