【摘 要】
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柔性执行器相对于刚性机器人具备智能、柔软、安全等特性,有极大的发展前景。水凝胶能够响应于外界环境因素产生体积变化,双层水凝胶结构能利用水凝胶层之间的体积变化差异实现弯曲、扭曲等形状变化。双层水凝胶结构制备的柔性执行器已广泛应用于药物释放、人造肌肉、仿生柔性执行器等领域,但存在响应速度慢、弯曲变形幅度小、功能单一等缺点。因此,不断探索新材料和制备方法以优化双层水凝胶柔性执行器的性能具有重要的理论意义
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柔性执行器相对于刚性机器人具备智能、柔软、安全等特性,有极大的发展前景。水凝胶能够响应于外界环境因素产生体积变化,双层水凝胶结构能利用水凝胶层之间的体积变化差异实现弯曲、扭曲等形状变化。双层水凝胶结构制备的柔性执行器已广泛应用于药物释放、人造肌肉、仿生柔性执行器等领域,但存在响应速度慢、弯曲变形幅度小、功能单一等缺点。因此,不断探索新材料和制备方法以优化双层水凝胶柔性执行器的性能具有重要的理论意义和应用价值。苯硼酸功能化水凝胶能够响应于pH值产生大幅体积变化。在本论文中,基于接枝3-丙烯酰胺基苯硼酸的聚（丙烯酰胺-丙烯酸）水凝胶,制备了两种能够快速实现大幅度双向弯曲行为的可粘合性双层水凝胶柔性执行器。主要研究内容如下:（1）基于接枝3-丙烯酰胺基苯硼酸的聚（丙烯酰胺-丙烯酸）水凝胶,制备具有良好pH响应性的聚（3-丙烯酰胺基苯硼酸-丙烯酰胺-丙烯酸）（即P（AAPBA-AAm-AAc））水凝胶;将P（AAPBA-AAm-AAc）水凝胶与聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶通过UV光逐层聚合,制备具有良好pH响应性的P（AAPBA-AAm-AAc）/PAAm双层水凝胶柔性执行器。（2）调节pH值能控制P（AAPBA-AAm-AAc）/PAAm双层水凝胶柔性执行器的弯曲速率及方向;水凝胶柔性执行器的弯曲速度随葡萄糖浓度的升高而降低;2.5wt%和7.5wt%的3-丙烯酰胺基苯硼酸水凝胶柔性执行器能实现较好的弯曲变形行为;丙烯酸对水凝胶柔性执行器的弯曲行为有极大的促进作用。（3）控制可逆弯曲的致动条件,P（AAPBA-AAm-AAc）/PAAm双层水凝胶柔性执行器可实现多次循环可逆弯曲形变,从+360°变换为-360°仅需约210s;P（AAPBA-AAmAAc）/PAAm双层水凝胶柔性执行器在酸性聚乙烯醇溶液中具有强粘合性;P（AAPBAAAm-AAc）/PAAm双层水凝胶结构能制备仿茅膏菜水凝胶柔性执行器、仿花型水凝胶执行器和仿手型水凝胶执行器。（4）通过UV光照法逐层聚合具有良好pH响应性的聚（3-丙烯酰胺基苯硼酸-丙烯酰胺-丙烯酸）（即P（AAPBA-AAm-AAc））水凝胶和具有良好热响应性的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶,制备具有pH-温度共响应性的P（AAPBA-AAm-AAc）/PNIPAM双层水凝胶柔性执行器。（5）在较低温酸性pH和较高温碱性pH环境下分别较有利于P（AAPBA-AAmAAc）/PNIPAM双层水凝胶柔性执行器的正向和反向弯曲变形,较高温碱性pH溶液中耗时约16min能达到最大弯曲角度（～-1400°）;厚度的增加会降低柔性执行器的弯曲速率。（6）控制可逆弯曲的致动条件,P（AAPBA-AAm-AAc）/PNIPAM双层水凝胶柔性执行器可实现多次循环可逆弯曲形变,从+360°变换为-360°仅需约75s;P（AAPBA-AAmAAc）/PNIPAM双层水凝胶柔性执行器在酸性聚乙烯醇溶液中表现出强粘合性;P（AAPBA-AAm-AAc）/PNIPAM双层水凝胶结构能模仿机械臂制备水凝胶柔性夹持器、仿花型水凝胶执行器、仿手型水凝胶执行器。
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