[发明专利]基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮有效

专利信息
申请号: 201410107754.7 申请日: 2014-03-24
公开(公告)号: CN103818517A 公开(公告)日: 2014-05-28
发明(设计)人: 韩鑫;靳印凯;陈亮亮;邱先慧 申请(专利权)人: 山东理工大学
主分类号: B63B1/32 分类号: B63B1/32
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 255086 山东省淄博市*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 基于 形状 记忆 合金 人工 肌肉 仿生 海豚
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种仿生海豚皮,更特别地说,是指一种基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮,属于工程仿生技术领域。

背景技术

有效降低航行器的表面阻力以提高速度、机动性、续航力以及燃料利用效率,对于国民经济和国防安全具有重要意义。海豚、鲨鱼、金枪鱼等高游速水下生物无疑为人类提供了极为宝贵的工程仿生范本,有针对性地研发低阻、高效的仿生减阻表皮成为当前的研究热点和难点。

海豚是海洋中的游泳冠军,时速可达70~100千米。早在1936年,英国科学家Gray就发现海豚的游速已远远超出其肌肉力量的限度,进而提出著名的“格雷悖论”。研究发现,海豚之所以游得快,除了具有流线型身体外,更重要的是它特殊的弹性皮肤结构能产生类似消振器一样的“自适应表面”。海豚的皮肤分为三层,最外面的表皮层是薄而光滑的角质膜,中间是真皮层,分布着许多富有弹性的管状乳突,乳突里充满海绵状物质,乳突间是血液或体液,最里层是稠密的胶原纤维和弹性纤维,其间充满了脂肪。当海豚快速游动时,随着水阻力的增加,真皮层的微小乳突能承受很大的压力,且其形状和弹性可使海豚皮肤由光滑态逐渐起伏为一定的非光滑态,可以改变层流附面层的边界条件,使边界柔顺化,减小边界面的流速梯度和剪切力,防止或减缓湍流的产生,从而降低游动阻力。科学家目前仿制出的“人造海豚皮”由三层橡胶组成,总厚度2.5 mm,其中模仿海豚表皮层的平滑外层厚0.5 mm,中层有橡胶乳头以模仿海豚的真皮层,其间充满了粘滞性液态硅树脂,下层是厚0.5 mm与船体接触的支持板。减阻试验结果表明,它可以使鱼雷和潜艇在海水中的运动阻力减少50%。但这类人造海豚皮在对海豚皮生物原型特殊、复杂结构的模仿上仍处较低水平,尤其是在对海豚乳突动态变形结构的模仿上仅是用简单的橡胶乳头来替代,在结构和功能仿生方面显然仍有较大的提升空间。

人工肌肉是近几十年问世的一种新型智能材料,它能够在外加电场、环境温度或酸碱度的作用下,通过材料内部结构的改变而伸缩并产生力的作用,具有和生物肌肉十分相似的机能。目前已研发出的人造肌肉材料涉及聚合物、金属、凝胶以及碳纳米管等,其中形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMA)是当前应用较为普遍的人工肌肉材料之一。SMA是一种能够记忆原有形状的智能材料,当温度低于其转变温度时将其人为变形,则当温度高于其转变温度时其可自动恢复到变形前形状,且具有双程记忆效应的SMA可在重新冷却至转变温度以下时又能回复到其低温相形状。形状记忆合金人工肌肉充分利用了SMA这种独特的双程形状记忆效应,利用外来热源控制其温度在转变温度上下转换,从而使其不断在低温相与高温相之间往复变形,进而展现出类似肌肉伸缩的较大力量,从而实现某种力的功能。

发明内容

本发明的目的在于,提供一种基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮,以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮,其特征在于,包括支撑座、硬化导电层、柔性树脂层、柔性导电层、光滑橡胶层、人工肌肉伸缩单元,所述支撑座用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面,所述硬化导电层的下表面与支撑座上表面相固定,其上表面与柔性树脂层的下表面相胶合,所述柔性树脂层上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室,所述柔性导电层的下表面与柔性树脂层的上表面相胶合,其上表面与光滑橡胶层的下表面相胶合,若干数量的人工肌肉伸缩单元对应穿过柔性树脂层上的伸缩室呈阵列化竖直排布于硬化导电层和柔性导电层之间,所述人工肌肉伸缩单元包括形状记忆合金人工肌肉簧、牵拉头、两段式电加热棒和连接导线,形状记忆合金人工肌肉簧的一端在保持与硬化导电层绝缘的同时与支撑座固定连接,另一端在与柔性导电层绝缘的同时与牵拉头固定连接,借由可伸缩连接导线串联起来的两段式电加热棒中的一段与硬化导电层做导电连接,另一段与柔性导电层做导电连接,牵拉头的底面与柔性导电层的上表面相胶合,牵拉头的其余面与光滑橡胶层下表面所开设的若干牵拉孔相对应固定连接。

所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮,自然状态下柔性树脂层的厚度是3.0 mm~5.0 mm,光滑橡胶层的厚度是1.5 mm~2.0 mm。

所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮,阵列化排布的人工肌肉伸缩单元之间的间距是15.0 mm~20.0 mm。

所述的基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮,制作形状记忆合金人工肌肉簧所用的形状记忆合金是具有双程记忆效应的镍钛系合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金,其转变温度范围为45℃~95℃。

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