[发明专利]光推进仿生肌肉动力系统及其做功方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源以及动力技术领域，具体涉及一种基于光推进的仿生肌肉系统及其做功方法。

背景技术

太阳能是最重要的基本能源之一，生物质能、风能、潮汐能、水能都来自于太阳能，太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停释放辐射能量。

太阳能作为一种新能源，有以下三大优点：取之不尽，用之不竭；不存在运输问题；作为一种洁净能源，在开发和利用时，不会产生污染物，不会造成环境污染。

目前，人类直接利用的光能转换形式，主要为光热转换、光化学转换、光电转换等，光能驱动的研究成为当下热点之一。

目前，在直接利用的光能转换形式应用中，利用石墨烯作为光热转换载体实现太阳能光热转换从而进行机械能输出的技术还未见报道。本发明选择二维材料石墨烯为光热转换载体，利用常见的太阳能为驱动力，最终将光能转换为机械能，可以无能耗的光触发模拟肌肉运动，通过光强度来调整肌肉的运动等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光推进的仿生肌肉系统及其做功方法，解决了现有技术中光热转换效率低、动力输出不稳定不持久以及系统复杂的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光推进仿生肌肉动力系统，包括石墨烯、质量块、动力输出轴、液晶快门、聚光透镜、密封管、外壳，所述密封管设置于外壳内，所述密封管中部设置有一质量块，密封管中质量块的两端放置石墨烯，密封管的两端头均设置聚光透镜和液晶快门，所述动力输出轴一端伸入密封管，另一端从外壳向外伸出，所述动力输出轴的轴向与密封管的轴向平行且可沿轴向往复运动，所述密封管中填充有气体，所述气体不与石墨烯发生反应。

进一步地，所述石墨烯为蓬松型石墨烯，具有较大的比表面积。

进一步地，所述动力输出轴为至少2个。

进一步地，在密封管的两端均设置有所述动力输出轴，且两端的动力输出轴数量相同。

进一步地，所述光推进仿生肌肉动力系统采用太阳光作为光源。

进一步地，可以根据需要调节所需太阳光的强度。

进一步地，所述质量块为圆柱状，其侧面与密封管的内壁相配合。

进一步地，所述动力输出轴将机械功输出用于发电或推进系统。

进一步地，所述密封管中填充有惰性气体。

一种如上述的光推进仿生肌肉动力系统的做功方法，包括如下的步骤：

步骤1：系统启动，液晶快门（2）上的液晶屏通电，阻挡两端的光线进入，系统处于静止状态；

步骤2：一端的液晶快门（2）上的液晶屏由控制器产生一个毫秒级别的断电时间，此时光线进入，石墨烯受到脉冲光辐射迅速产生膨胀，推动质量块移动到另一端推动动力输出轴做功；

步骤3：所述另一端由控制器产生一个毫秒级别的断电时间产生毫秒级别光脉冲，质量块移向所述一端推动该端动力输出轴做功；

步骤4：重复步骤2和3，所述质量块循环往复运动推动动力输出轴循环做功。

石墨烯膨胀产生推动力的原理：石墨烯瞬间吸收大量的光能，并高效地将光能转化为热能，大量的热量聚集在石墨烯中，无法在短时间内释放，并储存在石墨烯的褶皱结构中，石墨烯中的气体如惰性气体（例如氦气）瞬间加热膨胀，产生一定的推动力。利用液晶通电不透光，失电透光的性质，作为光源输入的门控开关，提供石墨烯膨胀所必需的光脉冲。因石墨烯膨胀方向与光照方向一致，故聚光透镜轴向安装在两端时具有最高的能源利用效率。

相关实验验证：为了定量化石墨烯膨胀所产生的效果，称取5mg的石墨烯放置于1mm石英玻璃片上，玻璃片直接放于常见的普通照相机闪光灯的灯头，将重为10.76g的陶瓷瓶的瓶口朝下，覆盖石墨烯。闪光灯闪光瞬间，陶瓷瓶瞬间被推动2mm的高度。通过加速度与位移、时间的关系式，可以得出陶瓷瓶的加速度为82.6m/s²。本实验在氦气氛围下完成，使用闪光灯作为能量来源，其光谱类似于太阳光谱。由于石墨烯狄拉克锥和无间隙的带结构，可以吸收各个波长的光。

本发明具有以下有益效果：（1）能源来源为太阳能，节能，无污染。

（2）使用碳材料石墨烯作为光热转换载体，具有较高的光热转换效率。

（3）石墨烯在无消耗的情况下可重复产生推动力，且疲劳效应较小。

（4）单位体积的石墨烯可迅速产生较大的推动力，可以根据光强的大小来改变仿生肌肉的运动。

此外，本发明的动力系统可具有广泛的应用且结构简单、成本低、耗能小。