[发明专利]一种光驱致动的人工肌肉材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种光驱致动的人工肌肉材料及其制备方法和应用，其制备方法包括：(1)选用聚氨酯和碳纳米管作为原料，分别干燥；(2)将经干燥后的聚氨酯和碳纳米管分别分散于混合溶剂中，制成混合纺丝液；混合溶剂由投料体积比为1∶0.8‑1.2的N,N‑二甲基甲酰胺和四氢呋喃构成；(3)将获得的混合纺丝液经静电纺丝制成纤维束，通过加捻制成初级纱；(4)将初级纱浸泡在导热硅脂中，然后加捻成卷曲状的纱线，干燥，热处理，制成所述光驱致动的人工肌肉材料；以及光驱致动器，其包括上述制成的人工肌肉材料；本发明方法制成的人工肌肉材料不仅能够获得较佳的耐久性和灵敏度，而且柔韧性佳、质量轻。

技术领域

本发明属于人工智能材料与纺织材料及机器人驱动技术交叉领域，涉及人工智能和纺织材料复合及机器人驱动技术领域，具体涉及一种光驱致动的人工肌肉材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前人工智能材料和机器人驱动技术及纺织材料复合技术领域的致动技术得到较快发展。人工肌肉是致动器的一种，致动器是微机电系统的动力部件，是将驱动能量转换成机械位移或机械力的换能器，承担能量转化、运动传递等重要作用，在人工智能、无线控制、生物医疗及机器人领域是亟要进一步发展的重要技术之一。

碳纳米管是一种具有多方面突出性能的碳纳米材料。研究者们利用碳纳米管优异的力学强度和柔韧性、较高的电导、较强的光吸收能力等优良特性制备了各种各样的致动器。目前主要是采用复合法，即通过碳纳米管与高聚物复合制成纱线，然后包覆伸缩材料制成致动器，然而此类方法虽然可以达到能量转换致动的目的，但制得的成品笨重，灵敏度不高，耐久性差，柔性差性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种改进的光驱致动的人工肌肉材料的制备方法，该方法制成的人工肌肉材料不仅能够获得较佳的耐久性和灵敏度，而且柔韧性佳、质量轻。

本发明同时还提供了一种制备方法制成的光驱致动的人工肌肉材料。

本发明同时还提供了一种包括上述光驱致动的人工肌肉材料的光驱致动器。

为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：

一种光驱致动的人工肌肉材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)选用聚氨酯和碳纳米管作为原料，分别干燥；

(2)将经步骤(1)干燥后的聚氨酯和碳纳米管分别分散于混合溶剂中，制成混合纺丝液；其中，所述混合溶剂由N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃构成，所述N,N-二甲基甲酰胺与所述四氢呋喃的投料体积比为1∶0.8-1.2；

(3)将步骤(2)获得的所述混合纺丝液经静电纺丝制成纤维束，将所述纤维束通过加捻制成初级纱；

(4)将所述初级纱浸泡在导热硅脂中，然后加捻成卷曲状的纱线，干燥，热处理，制成所述光驱致动的人工肌肉材料。

根据本发明的一些优选方面，步骤(1)中，所述干燥为真空干燥，所述真空干燥的条件为：气压为19-20kPa，温度为60-65℃。此种干燥方法可以最大程度保留碳纳米管及聚氨酯的理化性质。

根据本发明的一些具体方面，步骤(1)中，所述聚氨酯选用尺寸较小的聚氨酯切片，可商购获得。

根据本发明的一些具体方面，步骤(1)中，所述碳纳米管可商购获得；或者，优选地，通过如下方法制备：采用化学气相沉积法制备，用氯化铁做催化剂，用乙炔作为碳源，在真空环境中氯化铁升华，而后与乙炔起气相反应，在石英基板上形成的碳化铁粒子作为催化粒子，成为碳纳米管的成长核，多层碳纳米管排列以约0.05-0.15mm/min的速度高速成长；其中反应的温度为700-800℃，氯化铁的纯度约为98-99％，乙炔的纯度96％以上，多层碳纳米管的平均直径为40nm。