[发明专利]多层结构的多纤维复合纱线

说明书

一种多层结构的多纤维复合纱线，包括具有沿轴向和/或径向方向的第一各向异性膨胀系数的复合纱线和包含在所述纱线中的基质材料，其中所述基质材料具有第二各向异性膨胀系数，第二各向异性膨胀系数在轴向或径向的至少一个方向上与第一各向异性膨胀系数不同。一种制造多层结构的多纤维复合纱线的方法，所述方法包括将具有第二各向异性膨胀系数的基质材料渗透入在轴向和/或径向方向上具有第一各向异性膨胀系数的复合纱线，所述第二各向异性膨胀系数在轴向或径向方向上不同于第一各向异性膨胀系数。

技术领域

本发明涉及复合纱线，且更具体地涉及多层结构的多纤维复合纱线，其通过外部刺激可以在轴向和/或径向方向上变形。本发明还涉及人工肌肉(致动器)，其可用于例如但不限于智能机器人和假肢。

背景技术

人工肌肉由于它们广泛的应用而成为一个重要的研究领域，例如智能机器人，用于医疗护理的假肢，可变形的纺织品和能量收集等。WO9727822A1公开了该种肌肉细胞，其包括卷绕的电磁致动器和弹性体基底。这种人工肌肉的原理在于线圈转动之间的电磁吸引力引起的收缩。中国公开文献CN1413562A继续公开了利用磁流变(MR)液体的人工肌肉，其中MR液体的磁极化引起变形并由此导致变形。这实现了高收缩力和更轻的重量。另一篇文献WO2015017898A公开了由一系列电磁线圈和动力电路制成仿生肌肉的不同方法。

近年来，热动力人工肌肉引起了越来越多的关注。2012年，Lima，Li等人¹报道了一种由渗透入客体的碳纳米管纱线制成的人工肌肉，并可以通过热、电热、光热和化学动力来启动。客体包括石蜡、聚乙二醇等。

然后，在2014年Haines，Li等人^2，3提出了一种低成本用热或电热启动的肌肉，其中尼龙钓线和缝纫线为原材料。2015年，Yip和Niemeyer⁴报道了由超级卷绕的导电尼龙缝纫线制成的人工肌肉，这种人工肌肉提供了强大的机械动力并应用于机器人手的抓取。

Melvinsson⁵还制造了纯聚偏氟乙烯(PVDF)基卷绕的人工肌肉，发现更高程度的材料结晶度和分子量促进了更好的性能。

2016年，Hiraoka等人⁶提出了一种由线性低密度聚乙烯(LLDPE)制成的新型卷绕纤维致动器，该纤维致动器可在低温下被驱动，并有利于在可穿戴系统中使用。

2017年，吴等人⁷设计并制造了一种小巧、低成本和轻量的3D打印的仿形手，其由扭转的且卷绕的导电缝纫线(尼龙6，6前体)致动，实现了与自然手类似的抓握功能。Park等人⁸通过表面改性(镀银)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纱线开发了一种扭转的且卷绕的聚合物纤维致动器，为人工肌肉的应用提供了潜力。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种多层结构的多纤维复合纱线，包括具有沿轴向和/或径向方向的第一各向异性膨胀系数的复合纱线和包含在所述纱线中的基质材料，其中所述基质材料具有第二各向异性膨胀系数，第二各向异性膨胀系数在轴向或径向的至少一个方向上与第一各向异性膨胀系数不同。

优选地，所述复合纱线包括多根连续长丝或短纤维，所述多根连续长丝或短纤维结合以形成单一纱线。

优选地，所述纤维包括合成或天然纤维，所述合成或天然纤维被扭转以形成所述单一纱线。

优选地，所述纤维选自由以下组成的组：聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚酰胺、脂肪族聚酯、聚乳酸、聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)、金属、陶瓷或羊毛。

优选地，所述多根连续的长丝或短纤维涂覆有一个或多个机械保护层(mechanical protective layer)或环保层(environmental protective layer)。

优选地，机械保护层或环保层中的一个为生物相容性组分，诸如硅树脂(silicone)。