基于海藻酸钙水凝胶的人工肌肉输出力特性研究

发布时间：2020-06-22 18:12

【摘要】：生物凝胶人工肌肉,作为一种新兴的智能材料,具有驱动电压低(5V)、制备工艺便捷、环保无污染、柔韧性大以及价格低廉等优点,有着巨大的应用前景,可以运用在航天、生物医疗水下装备、仿生制造、及能量收集等领域。其作为当今学术界的研究热点,被列为国家高科技创新能力的前沿技术之一,是21世纪人工智能研究的新趋势。较小的输出力是目前限制其应用的主要原因,为此本文主要通过改变工艺制备手段以及掺杂的方式对人工肌肉输出力性能加以提高。通过实验测试进行人工肌肉输出力性能影响规律的机理分析,在测量中发现人工肌肉输出力的震颤现象,并对其进行分析处理。通过对人工肌肉的工艺制备分析,提出了在工艺制备中改变氯化钙的浓度与掺杂甘油两种制备人工肌肉的工艺方法,提出了人工肌肉输出力性能指标,并通过实验确定了在7cm×7cm的特定玻璃器皿下倒入40mL液体进行基膜和电极膜的制备工艺方法,确定了3V直流电压的测量条件。最后搭建了输出力测试平台,对人工肌肉进行输出力测试实验。在改变氯化钙浓度对人工肌肉输出力的影响中,通过对人工肌肉输出力的测试以及拉伸实验和电化学工作站测量比电容的试验中得出,氯化钙的浓度对人工肌肉确实产生影响,且在氯化钙浓度为0.9g/L时所制得的人工肌肉输出力密度最大,为26.534mN/g。氯化钙浓度变化会对基膜弹性模量造成影响,改变内部结构,进而对输出力造成影响。在改变掺杂甘油容量对人工肌肉输出力的影响中,通过对人工肌肉输出力的测试以及拉伸实验和电化学工作站测量比电容的试验中得出,在掺杂1mL甘油时,人工肌肉输出力性能增大,输出力密度为49.560mN/g,是未掺杂甘油人工肌肉的1.87倍。在观察人工肌肉输出力震颤行为中,发现在掺杂甘油与不同浓度氯化钙所制得的人工肌肉均在较长的通电电压下产生输出力震颤行为。通过分析发现与未掺杂甘油的人工肌肉相比掺杂甘油可以对人工肌肉输出力震颤时间产生延缓的作用,且在人工肌肉刚开始通电处于迅速上升阶段,并未发生输出力震颤行为,因此提出通过控制人工肌肉使用时间以及掺杂甘油的方式,抑制输出力震颤行为的产生。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB381
【图文】：

碳纳米管,石墨,结构模型,人工肌肉

图 1.1 石墨烯与碳纳米管的结构模型状AP主要有导电聚合物、(ionicpolymermetalc离子凝胶人工肌肉）。通过对离子型 EAP驱动部阳离子迁移引起水分浓度变化产生表层应变极发生氧化还原反应，使得聚合物电荷的不，IPMC成为了学者们普遍研究的对象，其优微医疗器械、水下推进等方面成果突出[33-39]，现，与 IPMC相比，离子凝胶人工肌肉与碳族同时，与导电聚合物相比，离子凝胶人工肌肉离子凝胶人工肌肉的研究呈现出巨大潜能。因学术界普遍青睐。

示意图,工程实践,示意图,外加电场

图 1.2 IPMC不同工程实践领域的应用示意图工肌肉制备工艺研究与性能优化兵通过自浇铸发制备梯度和均匀的 IPMC，制作尺寸为 7mm提高到 0.42mm，，这使 IPMC的应变得以提高，使其出力由 1.5mN 提高到 18mN[40]；南京航空航天大学于敏、戴用多片 IPMC 组合以及加大 Nafion 膜的厚度的方法提高了明胶水凝胶在硅油中的电场驱动行为研究,发现在直流电场平动和转动两部分复合而成,凝胶的运动速率随外加电场电外加电场的调控。卞侃[45]研究介电型 EAP摆动驱动器的性工肌肉输出力提高，摆动速度加快，提高了人工肌肉的输大小对人工肌肉的输出力产生影响，因此需要确定输出力测备的基膜以及电极膜的厚度，需要研究在适当的厚度及电压便消除厚度及电压造成对输出力的影响。

【参考文献】