[发明专利]触电伸缩仿肌肉运动装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生技术领域，特别涉及一种触电伸缩仿肌肉运动装置。 

背景技术

20世纪中期，人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性，从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科；随着研究的发展，仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点；进入21世纪以来，各类交通、建筑和工业事故导致肌肉受损日渐增多；由于肌肉结构复杂，修复肌肉技术相当困难。目前，临床常采用矫正，移植等手术，治疗效率和手术效果往往不够理想。此外，机器人技术的飞速发展，生物机器作为未来新型技术，对人造肌肉的研制十分迫切。 

肌肉是生物学上可收缩的组织，是依靠神经电流达到伸缩形变的功效，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能，人类很早就致力于仿生物肌肉的人工肌肉研发；上世纪50年代，McKibben首次研制了气动驱动器，并发展成为商业上的McKibben驱动器，但是作为人工肌肉材料，材料低端，McKibben驱动器体积大，而且受到辅助系统的限制。 

形状记忆合金虽然也被尝试用作人工肌肉材料，具有高能量密度和低比重等特点，但由于其具有形变不可预知性，响应速度慢以及使用尺寸受限等许多不利因素；电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料，其响应速度较形状记忆合金快，但是脆性大，只能获得小于1％的应变；由于受材料的限制，人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段。 

现目前新型材料电活性聚合物(Electroactive polymers，EAP)的出现给人工肌肉领域以新的冲击；EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大，另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等。从上个世纪90年代初开始，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。 

电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化为机械能。EAP开发应用可追溯到1880年，伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变。之后在1925年压电聚合物被发现，但由于应变和做功很小，只被用作传感器；1949年Katchalsky发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀，这是聚合物材料的化学响应性首次被发现。 

随着EAP材料研究的不断深入和发展，其巨大的应用前景已呈现在人们面前；EAP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞；利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术的发展；目前已经被开发的科学应用领域主要有：人机械面、飞行器应用、可控制织物、机器人、医疗等，然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制，电活性聚合物人工肌肉材料可以分为电子型和离子型两大类。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系；这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物及液晶弹性体。离子型聚合物即电流活性材料，包括聚合物电解质凝胶、碳纳米管复合材料、离子聚合物，金属复合材料和导电聚合物，因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的；由于电子比离子移动的更快些，电子型聚合物的反应时间较短，仅几微秒，其能量密度也较大，并可长时间在空气中运行，而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。 

有碍于国内先进材料技术限制，国内对于仿肌肉模拟组织研究较少，例如人造肌肉和仿真机器人，申请号为200410069382的专利，它是利用电路，其主要用“薄片线线圈”，做“永磁式简易步进电机”的线管，用改进后的“智能步进电机的驱动电路”作为电机的驱动电路，来控制机器人的“骨骼”、“肌肉”、视觉系统和控制系统；但这些技术都没有真正的用来做到仿生技术，做到依靠模拟神经电力来使仿肌肉组织产生形变伸缩的作用。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种感应灵敏、仿生性强、结构简单、且安装拆卸方便的触电伸缩仿肌肉运动装置。 

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：