超敏感磁致动器及其在水下机器鱼应用研究

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智能材料的出现为材料领域打开了一扇新的大门。与传统材料不同,智能材料可以响应外部环境的激励,从而自主完成变形、储能、生长、运动、隐身等行为。根据外界刺激方式的不同,智能材料分为光感应智能材料、电感应智能材料、热感应智能材料、磁感应智能材料、酸碱感应智能材料和对水感应智能材料。作为众多智能材料中的一员,磁感应智能材料具有在磁场刺激作用下实现连续大变形,并被引导完成特定任务的能力。该能力在柔性机器人领域有着巨大的发展潜力。但目前,基于磁控智能材料的柔性机器人,特别是,基于磁控智能材料的柔性水下机器鱼研究依然是一片空白。为此本文研究从磁驱动智能材料的制备出发,到柔性水下机器鱼的游动分析部分结束,希望能够设计一种全新的仿生水下机器鱼,挖掘磁感应材料在软机器人领域的潜力。为此展开了本文研究,具体研究内容如下:1)首先,本研究采用了实时热固3D打印过程中喷嘴流出浆料的方式,得到了一种新的磁驱动智能薄膜。通过单轴拉伸试验、磁滞回曲线测试和对应浆料流变性能试验,本文发现它具有良好的性能(基于Neo-hookean模型的剪切模量在300-900 KPa之间、矫顽力磁场强度最高可达723.597 KA/m、剩余磁化强度最高可以达到88.83554 KA/m)。2)随后,本研究采用直线电机组实现了一套磁场产生装置,并通过霍尔效应设计了一套磁场检测装置,该装置帮助本次研究对磁场进行建模。通过磁场建模发现,本次研究所采用的磁场产生装置能够在空间中产生微弱(幅值在10±1 Gs)的行波磁场。通过在磁驱动智能薄膜上部署该行波磁场,实现了一种新型超灵敏高频(最高实现了15 Hz频率的摆动)致动器。通过PIV流场可视化方法观测致动器在水中摆动过程,发现该致动器能够产生类似于真实鱼尾摆动过程中,在鱼尾部分产生的反卡门涡街,并产生推力。3)最后,本研究基于该致动器设计了三种不同形状柔性鱼尾。为了能够量化分析不同鱼尾方案游动效果,本文采用鱼体游动大振幅细长体理论,通过输入该水下机器鱼鱼尾摆动过程中鱼尾端部坐标的变化情况,计算了不同鱼尾方案弗劳德效率。通过计算可知,该新型柔性水下机器鱼最高弗劳德效率可以达到63%(对应文中方案3,磁场频率1 Hz)。同时,该新型柔性水下机器鱼最高游动速度可以达到0.331(鱼身长度/s,对应文中方案2,磁场频率3 Hz)。
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