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可变刚度材料,如形状记忆聚合物(SMPs)、低熔点合金(LMPAs)和磁流变(MR)以及电流变流体(ER)等在软机器人等领域引起了广泛的研究兴趣。本文开发了一种基于液态金属的大范围可变刚度弹性体,该弹性体由变刚度功能模块和高相变响应柔性模块(EGaIn-PDMS)构成。变刚度功能模块是主要由硅胶封装的功能性液态金属磁流变液构成,其可通过磁流变和相变结合实现大范围的刚度变化。高相变响应柔性模块(EGaIn-PDMS)耦合了 Ni-Cr加热模块和EGaIn-PDMS柔性散热模块,用于实现变刚度功能模块的高相变响应。测试实验证明,本研究所设计的大范围可变刚度弹性体可实现高达10倍的刚度变化,其中在磁流变区间内,可实现4倍的连续刚度变化,相应时间只有短暂的几十毫秒;在相变区间内,可实现高达10倍的刚度变化,响应时间可达37s。最后,设计了基于大范围可变刚度弹性体的柔性气动机械手,实验结果表明,通过调节气动柔性机械手的刚度,可以有效增大其负载能力。本文对以下四个方面进行了细致的研究:首先,研究了在液态金属大范围可变刚度弹性体的结构及工艺方面。开发了一种新工艺,以液态金属Ga为基液,成功在金属Ga中混入微米Fe颗粒,制备了功能性液态金属磁流变液,并将其封装在硅胶中,制备了变刚度功能模块。创新性的在PDMS柔性材料中添加EGaIn液态金属,制备高导热效率的EGaIn-PDMS柔性散热模块。进一步,将Ni-Cr加热模块与EGaIn-PDMS柔性散热模块耦合,实现了实现变刚度功能模块的高相变响应。其次,探索了液态金属大范围可变刚度弹性体的流变特性。首先详细的阐释了其流变的原理;并搭建一个刚度测试平台,研究了磁场强度、铁粉颗粒铁粉含量对液态金属大范围可变刚度弹性体流变特性的影响。实验证实,施加4000 GS的外部磁场时,可有效提升弹性体刚度约4倍。同时,实验研究证明:液态金属磁流变液Fe颗粒的含量,对其弹性体流变特性影响较大;此外液态金属磁流变液Fe颗粒铁粉的粒直径也会对弹性体流变特性有一定影响。总之,液态金属大范围可变刚度弹性体展现了优异的磁流变特性。第三,研究了液态金属大范围可变刚度弹性体的相变特性。首先通过SEM图像以及EDS图像,揭示了 EGaIn-PDMS复合材料的高导热机制。然后刚度测试实验证明,通过改变变刚度模块中液态金属的固-液相,可以实现高达10倍的弹性体刚度变化;进一步,构建了弹性体热响应测试平台,测得液态金属大范围可变刚度弹性体的相变响应时间为37s,充分展示了液态金属大范围可变刚度弹性体展现了优异的相变特性。最后,研究了液态金属大范围可变刚度弹性体在柔性机械手的应用。将液态金属大范围可变刚度弹性体应用在气动柔性机械手上,作为气动柔性机械手的变刚度层,实验结果表明,通过调节气动柔性机械手的刚度,可以有效增大其负载能力。