【摘 要】
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基于刺激响应材料制作的柔性致动器可以在外界条件的刺激下产生相应的形变。它们可以应用于人工肌肉、机器人、药物运输等领域中。基于这些柔性致动器制作的机器人可被做得非常小以满足特定的需求,具有广泛的应用前景。然而受到体积的限制,现有的小尺度机器人(尺寸小于1 cm)通常结构简单且只能实现简单的运动与功能。同时,这些小尺度机器人依赖外界的操控与供能方可产生运动与工作。如何制作具有多种功能多样运动方式且可以
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基于刺激响应材料制作的柔性致动器可以在外界条件的刺激下产生相应的形变。它们可以应用于人工肌肉、机器人、药物运输等领域中。基于这些柔性致动器制作的机器人可被做得非常小以满足特定的需求,具有广泛的应用前景。然而受到体积的限制,现有的小尺度机器人(尺寸小于1 cm)通常结构简单且只能实现简单的运动与功能。同时,这些小尺度机器人依赖外界的操控与供能方可产生运动与工作。如何制作具有多种功能多样运动方式且可以从环境中获取能量自主运动的小尺度机器人仍然是一个挑战。针对这些问题,本文基于多层复合薄膜在受热时热膨胀不对称而产生形变的原理,将具有较大热膨胀系数的低密度聚乙烯薄膜与其他材料复合。分别制作了一系列温度响应复合薄膜致动器,并研究了致动器在不同受热条件下的工作和运动方式。具体内容如下:1.透明是实现伪装的一种非常有效的方式,在自然界中被各种生物广泛采用。然而传统的光热温度响应复合薄膜致动器由于其所必需的吸光特性与透明致动器所必须的透光特性是矛盾的。为此利用多壁碳纳米管(MWCNTs)换效率与透光的特性,将热膨胀系数极低的MWCNTs与常见材料中热膨胀系数最大的材料之一的低密度聚乙烯(LDPE)透光光热温度响应复合薄膜致动器。由于这两种材料热膨胀系数差非常大,即使致动器仅吸收少量光线且温度升高较少致动器也足以被驱动产生可逆的形变。该致动器可以同时满足光热驱动和透光双重特性,并且可以通过调节两种材料的取向间的夹角可以获得不同弯曲方向的致动器。此外该致动器还是一种具有多重响应的致动器,不仅可以通过光热还可以通过电热的方式进行驱动。2.小尺度机器人受到体积的限制,它们通常结构简单且无法仅通过单一的控制方式实现多模运动以适应变化的环境。在此,设计了一种仅需单一刺激便可实现多模运动的可变形致动器。基于双层结构的不对称热膨胀而产生变形的光热薄膜致动器首次与具有形状记忆热收缩性质的LDPE相结合。由此产生的新型光热复合薄膜致动器可以通过光热的方式来转换形态,从而获得不同的形状和功能。进一步,基于该致动器制作了一种具有包括爬行、滚动和自主振荡摆动多模运动能力的光驱动可变形小尺度机器人。仅通过光照(400 nm-780 nm)驱动,该机器人可以从以2.28 mm s-1平均速度移动的爬行机器人转变为以6.9 mm s-1平均速度运动的滚动机器人。经过进一步的变换,机器人可以在定向光束的照射下以平均3 Hz的频率自主振荡摆动。该研究提出了一种可以仅通过光照驱动便可在单一致动器和小尺度机器人上实现多模运动与功能的方式。3.同样受限于小尺度机器人的体积,它们也难以在自身上集成供能与控制等功能,只能通过由外界供能或者从环境中获取能量而且无法脱离外界的控制独立自主工作限制了小尺度机器人的应用范围。在此,通过直接加热致动器的一端以热传导的方式使致动器升温来加热温度响应复合薄膜致动器。利用热传导受热与周围空气的热对流的共同作用,使得薄膜致动器温度无需控制即可发生自主的往复波动。并利用这种温度波动的现象实现了不同结构的薄膜致动器在没有外界的控制下自主的往复振荡运动,进而制作了一个可以在稳定环境中没有外界控制的条件下独立自主爬行的小尺度机器人。该机器人可以在发热表面上持续自主爬行直至脱离该表面。
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