[发明专利]一种电控双向弯曲型复合人工肌肉

说明书

本发明属于软体机器人技术领域，一种电控双向弯曲型复合人工肌肉，包括三层柔性电极层、两层复合电致变形层两种功能层，自上而下依次为第一层柔性电极层、第二层复合电致变形层、第二层柔性电极层、第二层复合电致变形层、第三层柔性电极层。通过对第一层复合电致变形层的上下表面施加电场，同时对第二层复合电致变形层中的电致变形纤维通入电流，可以实现向下大幅弯曲变形；通过对第二层复合电致变形层的上下表面施加电场，同时对第一层复合电致变形层中的电致变形纤维通入电流，可以实现向上大幅弯曲变形。本发明与现有人工肌肉相比，可实现向上和向下的大幅弯曲变形，且为三维块体材料，其设计具有结构简单、变形程度大、变形方式多样等优点。

技术领域

本发明属于软体机器人领域，涉及一种电控双向弯曲型复合人工肌肉。

背景技术

软质智能材料的变形能力和驱动力接近于生物肌肉，在智能机器人领域具有非常广阔的应用前景.作为新型软质智能材料的典型代表，形状记忆聚合物、电活性聚合物、电致变形纤维等逐渐显现出其与生俱来的优越性，与传统的气动型人工肌肉相比，具有结构简单、响应迅速、可小型化等优势。

介电弹性体材料作为电活性聚合物的典型代表，其能量密度高、应变大、质轻价廉等优点倍受学者们关注。介电弹性体通常以薄膜形式应用，在其表面涂敷柔性电极并施加电场，在Maxwell效应作用下，介电弹性体薄膜沿厚度方向收缩，在平面方向扩展。但这种简单的变形方式在难以满足应用需求，如何实现弯曲变形是亟待的关键问题。近年来，一些学者也开发出了可以弯曲变形的介电弹性体材料，如斯坦福研究所的Rosenthal M A等设计了一种中枢轴式结构的介电弹性体，借助弹簧来辅助弯曲变形；哈尔滨工业大学的李金嵘等设计了一种卷式结构的介电弹性体，也是将介电弹性体与弹簧复合，从而实现人工肌肉的弯曲变形。然而，上述几类人工肌肉的弯曲变形程度较小、变形方式较为单一，同时也存在着结构复杂、耐久性差的缺点，从而限制了其应用扩展。因此，亟需设计开发一种弯曲变形大、结构简单、耐久性强的人工肌肉。

电致变形纤维材料主要是碳纳米管纤维。该材料作为人工肌肉材料的主要优点是低驱动电压、高拉伸强度及高弹性模量。2012年以来，以美国德克萨斯大学达拉斯分校的Baughman课题组为代表的研究者们将多壁碳纳米管制成纤维，构建新型的人工肌肉。他们首先将碳纳米管阵列抽成薄膜后进行拉伸纺线，在拉伸过程中采用不同的方式加捻，得到阿基米德螺线、双阿基米德螺线、费马螺线等复杂结构的碳纳米管纺线。随后，将碳纳米管纺线与能够产生体积变化的客体材料复合，该复合材料能够在热(电热、光热)作用下产生较大的变形(2560℃下收缩应变7.3％)。复旦大学的彭慧胜团队采用干法纺丝工艺将取向碳纳米管阵列纺制成取向纤维，对其施加电流时，碳纳米管纤维特有的取向螺旋结构在安培力作用下产生较为显著的收缩(2％)。可见，基于碳纳米管纤维的人工肌肉材料可以实现沿纤维长度方面的收缩变形，同时具有高拉伸强度及高弹性模量的特点。

综上，现有应用于人工肌肉的智能软材料仅能实现较小程度的弯曲变形而且变形方式单一，亟待开发变形大、变形方式多样的人工肌肉；此外，介电弹性体通常为二维薄膜形式，而碳纳米管纤维为一维纤维形态，如何构建三维的块体人工肌肉也是亟待解决的关键问题。

针对以上问题，本专利将介电弹性体与电致变形纤维复合，提出一种电控双向弯曲型复合人工肌肉。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术缺陷，提供一种电控双向弯曲型复合人工肌肉，以解决现有人工肌肉变形程度较小、变形方式单一、且无法三维块体化的问题。

为解决上述技术问题本发明的构思是：