[发明专利]一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用，所述组成为鞘芯结构，所述鞘层由碳纳米管薄膜组成，芯材为尼龙线。在实际使用该螺旋型人工肌肉时，可以根据需求设计成不同的长度。并且可以通过控制电路输出不同大小的电压，进而控制螺旋型人工肌肉的收缩速率与输出应力。本发明以柔性方式将电能转化为机械能，易于控制且安全环保。

技术领域

本发明属于仿生材料及其制备和应用领域，特别涉及一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用。

背景技术

近年来，具有高柔韧性和高弹性的人工肌肉已被应用于医疗康复设备和仿生机器人等先进领域。现有的人工肌肉一般有气动人工肌肉，其原理是改变空腔体内部的压力，使人工肌肉收缩或者膨胀，以驱动相应的运动部件；其缺点在于：需要外接气动设备，体积和重量较大，不易携带。介电弹性体人工肌肉，其原理是在施加电场，使弹性体电荷相互挤压或排斥而产生形变；其缺点在于使用非常高的外加电压，安全性是一个重大问题。其他一些聚合物材料制备小型致动器的输出力又往往较小。

CN111390895A公开了一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法。其缺点在于：电路电压非常高，安全性面临极大挑战；弹簧与介电弹性体的关系是相互抵抗，会损耗介电弹性体的驱动性能。

CN102044627A公开了电致伸缩复合材料及电致伸缩元件，该元件形状为片材，致动方式为弯曲，这限制了在人工肌肉或致动器领域的应用。CN102044627A并未提及致动器的输出力大小，以及致动器变形的温度范围，而致动器的输出力决定了其能驱动的器件类型，聚合物的熔融温度相对较低，控制变形温度也是非常重要的。本发明设计的致动器结构为螺旋型，致动方式为收缩，这在人工肌肉或致动领域的应用更加广泛。本发明使用红外摄像仪实时控制并记录了温度与输出力的关系，控制温度在聚合物熔融温度以下，保护致动器不致损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用，克服现有技术中电致收缩致动器输出力较低与电压较高的缺陷。

本发明的一种电致收缩人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括螺旋结构复合材料，其中所述复合材料具有鞘芯结构，其中鞘层为碳纳米管薄膜，芯材为尼龙线；其中人工肌肉运动通过加在碳纳米管薄膜上驱动电压控制。

所述螺旋结构复合材料两端的碳纳米管薄膜连接到电路中。

进一步，所述碳纳米管薄膜作为外覆层和导电层，尼龙线作为中间的芯材，增强整体的弹性和韧性，同时提高螺旋型人工肌肉的收缩率。

在实际使用该螺旋型人工肌肉时，可以根据需求设计成不同的长度。并且可以通过控制电路输出不同大小的电压，进而控制螺旋型人工肌肉的收缩速率与输出应力。

进一步，所述人工肌肉整体为螺旋型，由电路的输出电压来控制；所述螺旋结构通过轴向的收缩与恢复为负载提供驱动力。

所述鞘层采用的碳纳米管薄膜柔软、质轻，制备螺旋型人工肌肉之前的的厚度为10～15μm，电导率为(3～8)*10⁴s/m。

所述芯材尼龙线坚韧、耐磨，制备螺旋型人工肌肉之前的直径为0.105～0.285mm。

在实际使用本发明的螺旋型人工肌肉时，可以根据需要设计成不同长度或捻度与驱动器件相组合。

进一步通过控制电路的电压大小以获得不同的收缩率和收缩速度(如图5所示)。

所述鞘芯结构可以将碳纳米管薄膜和尼龙线的特性相结合，提高了人工肌肉的强度和驱动性能。

所述螺旋结构像弹簧一样可以轴向自由运动，人工肌肉的每个螺旋的收缩相互叠加，提高了整体的收缩率和输出力。

本发明的一种电致收缩人工肌肉的制备方法，包括：