[发明专利]电子型人工肌肉电致动器及其制备方法和在手指驱动装置中的应用

说明书

本发明公开了一种电子型人工肌肉电致动器及其制备方法和在手指驱动装置中的应用，所述电子型人工肌肉电致动器由改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜、固定在该基底膜两侧的石墨/硅橡胶电极、导线和高压脉冲电信号组成；所述的基底膜是由在硅橡胶中掺杂经由IPDI改性的氧化石墨烯制备而成，所述的石墨/硅橡胶电极是在硅橡胶中掺杂石墨制备而成，固定在基底膜的两侧。在基底膜中添加改性后的氧化石墨烯提高了介电常数，因此使得致动性能得到提高。本发明的电子型人工肌肉电致动器能够在相同的电场电压下能够产生更大的变形，可以用于触觉感受器，在手指驱动方面，可以通过调节电压和频率改变对手指的驱动力的大小和频率的快慢，适用于不同的人群。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有大变形高性能的电子型人工肌肉的制备方法及其在手指驱动方面的应用。

背景技术

康复联系装置是在手外科的诊断和处理的基础上，针对手功能障碍的各种因素，例如瘢痕、挛缩、粘连、肿胀、关节僵硬、肌肉萎缩、感觉丧失或者异常等，采用相应的物理治疗、运动疗法、作业疗法、辅助器具、康复工程、心理治疗等康复手段，使得伤手恢复最大程度的功能，以适应日常生活活动和工作、学习。

现有的康复练习装置通常采用机械式的方法进行康复训练，装置包含电机、传动装置等部件，存在体积较大，重量较重等缺点。

介电弹性体固有的材料特性和工作原理提供了无与伦比的特点。这些可能适合为矫正系统提供足够的功能特性，同时使其至少更轻、更灵活和舒适，因此更容易穿戴和携带。

硅橡胶是以-Si-O-键为主链、有机基团为侧基的一类弹性体，自身具有特殊的半有机半无机结构，耐高低温性、耐候性、耐臭氧性、耐老化性、生理惰性和高透气性圴优异，在航空航天、汽车、电子和医疗器械等领域。

介电弹性体是一类在外加电场诱导下能够改变形状或体积，不施加电场时，它又能恢复到原来的形状或体积，具有特殊的力学及电学性能。可用于电能与机械能的相互转化，具有模量低、密度小、变形大、噪音小、响应迅速、能量密度高、电/力转化效率高等优点。介电弹性体是制造致动器、传感器、振动器和能量收集器等转换器的最有潜力电活性聚合物材料之一，在人工肌肉、智能仿生、航空航天、机械、生物等领域都有广泛的应用潜力。

介电弹性体(DEP)作为一种电活性聚合物，其重量轻，成本低，能效高，不需要额外的手段将电能转换为机械能。电极通电以后，产生电场，两电极之间异性电荷产生的静电引力在膜厚方向挤压弹性膜，水平方向同性电荷的静电排斥力则在单位电极上扩张薄膜，从而发生厚度和面积的变化：厚度减小，面积扩大。除去电场，弹性体膜便恢复到原来的形状或体积。中间层受到麦克斯韦力的作用，材料将沿电场施加的方向收缩，而在垂直于电场施加的方向拓展延伸。如图1所示，变薄产生形变，产生电—机械能转化。

当DEP的结构为理想结构时，电极作用在弹性体上所产生的电致形变与电场强度间的关系为:式中：E为施加的电场强度，ε₀＝8.854×10^-12F/m是真空介电常数，ε_r是弹性体薄膜的相对介电常数，S_Z是弹性体厚度方向的形变，Y是其杨氏模量。从工作原理公式可以看出介电弹性体的电机械响应能力与该材料的相对介电常数和电场强度的平方成正比，与杨氏模量成反比。因此可以看出，提高材料的介电常数及降低材料的模量，可以在更低的电场强度下，可以提高介电弹性体致动器的应变响应。

介电弹性体的驱动原理类似于并联的机电转换双板电容器如下图所示，其原理可以用以下方程说明：

σ＝εε₀(E/d)²

其中σ称为麦克斯韦应力，是来自在表面上充电时产生的压缩压力，ε₀是自由空间介电常数(ε₀＝8.85×10-12F/m)，ε为相对介电常数，E和d代表提供的电压和电极之间的厚度。