人工肌肉是指可以根据外界环境变化呈现出各种复杂形态,如弯曲、延伸、扭动、收缩等,且行为十分接近于真正的肌肉纤维的一类柔性智能材料。近几十年来,随着仿生机器人及智能驱动器的研究发展,人工肌肉性能的提升以及新型人工肌肉的开发也变得更加迫切。在实际应用中,为了能够更好地实现驱动功能,人工肌肉往往需要具备高功率密度、轻便的质量、较小的体积、较大的驱动力、安全的使用途径、简便的操作方法等。人工肌肉材料有许多不同的体系,其中,相变型人工肌肉作为一种新型的体系,能够通过温度的改变使材料在液-汽或者固-液之间实现可逆的相转变,同时伴随较大的体积变化。因此,相变型人工肌肉具有应变大、应力高、驱动简便、能量密度大、响应速率快等优异的特性,与生物体肌肉非常接近,在智能机器人领域中有着非常广阔的应用前景。随着相变型人工肌肉研究的不断深入,对其驱动性能的要求越来越高,但人工肌肉驱动速度提升的同时势必会损失其驱动力。因此,如何同时提升相变型人工肌肉的驱动速度和驱动力是目前亟需解决的关键问题。基于乙醇溶液的乙醇相变人工肌肉具有非常优异的驱动性能,能够在低电压下产生较大的应变和应力,操作安全、简便,功率密度大,但是其驱动变形速率相对较低。因此,本论文为解决乙醇相变人工肌肉难以同时提升变形速率和驱动力的问题,从乙醇相变人工肌肉的结构和材料改性入手,通过向其中加入不同种类和不同含量的导热介质,利用模具快速成型法,制备了一系列具有低电压驱动、大应变、快响应变形特性的仿McKibben型乙醇相变人工肌肉,从而实现了变形速率与驱动力的有效兼顾,为乙醇相变人工肌肉瓶颈问题的解决提供了一种有效的新思路与新方法。具体研究内容和主要研究结论如下:(1)乙醇相变人工肌肉的驱动机理是通过存储在具有弹性的硅氧烷弹性体内部的乙醇在加热条件下,可逆相变同外部具有优异弹性的硅氧烷弹性体之间的配合,导致整体产生可逆膨胀与收缩。所制备的乙醇相变人工肌肉主要分为加热电阻丝、硅氧烷弹性体基体和乙醇相变液三部分,电阻丝作为电驱动的动力源,通过通电使得包含在硅氧烷弹性体基体中的乙醇相变液液泡产生汽化膨胀,带动硅氧烷基体的膨胀变形,当停止加热后,汽化的乙醇冷却液化,具有高弹性的硅氧烷弹性体回复原来的形状,乙醇相变人工肌肉得以收缩。当加上编织网变成编织型乙醇相变人工肌肉后,可以将之前的轴向膨胀通过编织网的两端约束转换为径向收缩。编织型乙醇相变人工肌肉在通电后,编织网内部乙醇相变型人工肌肉膨胀,外部的编织网在两端约束了乙醇相变人工肌肉的径向膨胀,使其产生轴向收缩。断电过程后,具有弹性的乙醇相变人工肌肉逐渐恢复原状,编织型乙醇相变人工肌肉径向直径变小,轴向长度变长,直到恢复为未通电的状态。(2)对乙醇相变人工肌肉的结构进行分析,通过改变其中的导热介质,展开对相变型硅氧烷驱动器进行驱动性能增强的探索性研究。向硅氧烷基体材料中添加氧化石墨烯和金纳米粒子,分别制备了氧化石墨烯/乙醇相变硅氧烷驱动器和金纳米粒子/乙醇相变硅氧烷驱动器,添加氧化石墨烯和金纳米粒子能够提高提高材料的升温速率;提高乙醇相变型人工肌肉的驱动速率,增大变形收缩率;添加金纳米粒子和氧化石墨烯后硅氧烷弹性体的最大应力、断裂应变都有所增强,弹性模量却有所下降,改善了乙醇相变人工肌肉硅氧烷弹性体的力学性能,这能够促进乙醇相变人工肌肉驱动能力的提升。证明了通过添加导热介质能够提升乙醇相变人工肌肉的驱动能力,且氧化石墨烯/乙醇相变人工肌肉驱动器驱动性在各方面都要优于金纳米粒子/乙醇相变人工肌肉驱动器。(3)基于添加不同导热介质对乙醇相变人工肌肉驱动性能的研究,发现添加氧化石墨烯后能够增强乙醇相变人工肌肉驱动性能,选定添加氧化石墨烯作为改善乙醇相变人工肌肉的导热介质。在乙醇相变人工肌肉中添加不同含量的氧化石墨烯,设置梯度含量,制备了不同氧化石墨烯含量的氧化石墨烯/乙醇相变人工肌肉,随着氧化石墨烯含量的增加,氧化石墨烯/乙醇相变人工肌肉驱动器变形速度增快,在添加15 mg的时,达到最快驱动速率,为0.19 mm/s,比无添加乙醇相变人工肌肉驱动速度提高了61%,且驱动力增大了52.7%。氧化石墨烯/乙醇硅氧烷驱动器在具有较快的驱动速度的前提下,兼具更为强大的驱动力,通电120 s可以达到1.68 N的驱动力,进行重物提取实验,300 s可以将50 g砝码提起12 mm。