[发明专利]基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生海豚皮，更特别地说，是指一种基于电活性聚合物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，其中电活性聚合物（又称电致聚合体，简称EAP）是当前应用较为普遍的人工肌肉材料之一。这种人工肌肉是把内部注入特殊液体的管状粘合性导电塑料集束成肌肉一样的复合体，通电时导电性高分子可在溶液中释放出离子，进而在直流电场刺激下自行完成较大幅度伸缩动作，因而具备作为微型机械中电致动器基础材料的特质，具有成本低、可靠性和可操作性强等特点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于电活性聚合物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：基于电活性聚合物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一定数量的电活性聚合物人工肌肉束和牵拉头，电活性聚合物人工肌肉束的一端连接硬化导电层，另一端连接柔性导电层和牵拉头，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。

所述的基于电活性聚合物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。

所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，自然状态下电活性聚合物人工肌肉束的长度是3.0 mm～5.0 mm，通电收缩后电活性聚合物人工肌肉束的长度是1.5 mm～2.5 mm。

所述的基于电活性聚合物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10.0 mm～15.0 mm。

所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，牵拉头的形状是圆柱形、锥台形、球形，牵拉头水平方向上的直径尺寸是1.0 mm～1.2 mm。