三明治结构超快溶剂响应型柔性驱动器的研究

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受到自然界生物响应性运动现象的启发,近年来仿生智能机器人的设计层出不穷。研究学者设计开发了多种新型仿生智能材料以构造柔性驱动器,该柔性驱动器可以将外部刺激(如光、热、电、磁和溶剂等)转换为机械变形。聚合物因其优异的柔弹性、吸水性以及生物相容性等优点,所以在柔性驱动材料方面得到了快速发展和广泛研究。碳基纳米材料(如碳纳米管)因其制造成本低、易于加工、柔韧性好、稳定性佳、独特的光电性能以及高电导率和热导率,成为制备柔性驱动器的重要材料。作为两种典型的功能材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳纳米管(CNTs)在各自领域得到十分广泛的应用。目前基于CNTs/PDMS复合材料在柔性驱动领域的研究大多数利用的是碳纳米管的光响应、热响应和电响应。而实际应用中,柔性驱动器的另一个关键作用是能够精确地完成复杂任务。因此,对于多功能多响应软体智能机器人而言,材料的选择以及合成、三维的制造方法和精确的控制系统变得尤为重要。本文基于PDMS对多种有机溶剂或蒸汽的快速响应性,将PDMS与CNTs进行复合,得到具有更高灵敏度和更快响应性的高性能溶剂响应型CNTs/PDMS复合驱动材料。实验表明CNTs的加入有效地提高了 PDMS的驱动性能、抗腐蚀性和稳定性。为了实现驱动器的可控性,本文设计了一种三明治结构驱动器,选择硅胶作为中间连接层,有效解决了多层结构界面易分离的问题,提高了驱动器的稳定性。该驱动器能够在多种有机溶剂或蒸汽(如正戊烷、三氯甲烷、正已烷、环己烷、二氯甲烷等)刺激下产生快速响应,并且在正己烷溶剂驱动下的响应速度可达到10ms,比目前已报道的驱动器/机器人的响应更快。最后利用激光切割技术制备仿生驱动器,成功模拟生物的机械运动,实现驱动器的复杂3D可控变形。由于有机溶剂/蒸汽驱动产生的独特连续快速响应行为,该驱动器在仿生设计、软体机器人和传感器电子器件设计领域显示出巨大的应用潜力。
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