瓜尔胶基水凝胶的制备及其在柔性夹爪机器人中的应用探索

发布时间：2020-04-13 18:46

【摘要】：随着科学技术的飞速发展,越来越多的功能高分子材料特别是软物质材料,被应用到人们的日常生产生活之中。软物质材料因其独特的柔韧性、多功能性和卓越的机械性能吸引了越来越多研究人员的关注。基于软物质材料的软体机器人是一种新型柔韧机器人,其最新研究成果大多采用硅橡胶制成,将天然高分子水凝胶应用于软体机器人还鲜有研究,本文系统研究了以瓜尔胶(Guar Gum,GG)及其衍生物为原料制备水凝胶,并考察了水凝胶的理化性能,初步探讨了其在柔性夹爪机器人中的应用。首先,以GG为原料制备了水凝胶,该水凝胶通过加入四硼酸钠引入硼酸酯键构筑瓜尔胶—硼砂超分子水凝胶(Borax-Guar Gum Supermolecular Hydrogel,Borax-G),这种水凝胶具有显著的自修复性能和凝胶-溶胶转换特性。其次,以阳离子瓜尔胶(Cationic Guar gum,CGG)为原料制备了水凝胶,该水凝胶通过阳离子瓜尔胶与丙烯酰胺复合形成了阳离子瓜尔胶—丙烯酰胺复合水凝胶(Acrylamide-Cationic Guar Compound Hydrogel,AM-CGH),其具有较好的机械性能和形状记忆性能,CGG浓度为2%时的复合水凝胶拉伸应力为0.13 MPa、拉伸应变为2130%,将CGG浓度为2%的水凝胶浸泡饱和柠檬酸钠溶液(C_6H_5Na_3O_7)12 h后,拉伸应力增大至0.54 MPa,是原始复合水凝胶的4.15倍,拉伸应变为900%,浸泡饱和C_6H_5Na_3O_7 35 min的形状记忆率为80%。再次,以2-辛烯基琥珀酸酐(OSA)为改性剂,对GG进行均相改性,成功制备了辛烯基琥珀酸瓜尔胶酯(OG),然后以OG为原料采用自由基聚合法制备了辛烯基琥珀酸瓜尔胶酯水凝胶(Octenylsuccinic acid Guar Hydrogel,OGH),研究了该水凝胶的机械性能和形状记忆性能,OG浓度为10%时的水凝胶拉伸应力为20 KPa、拉伸应变为380%;将其浸泡于0.1 mol/L的三氯化铁溶液(FeCl_3)12 h后的拉伸应力增大至1.09 MPa,拉伸应力提高了54.5倍,拉伸应变为218%,浸泡0.1 mol/L的FeCl_3溶液1 min时的形状记忆率为90%。最后,初步探索了瓜尔胶基水凝胶在柔性夹爪机器人中的应用,因本文制备的水凝胶具有良好的的导电性能,水凝胶因发生形变从而产生电阻值的变化,该变量可作为柔性夹爪控制系统输入量,气动控制器根据反馈信号调整气压大小来控制柔性夹爪实现灵活抓取的功能。
【图文】：

软体,机器人

图 1.2 软体机器人虽然国内科学家对软体机器人的探索起步比较晚，，但是国内软体机器人的发展势态猛。2016 年，中国科技大学陈小平课题组研发的一种天然刚柔合一型结构气动蜂巢体机械手[30]（如图 1.3a）在软体机器人研究领域引发关注，该研究成果为消除传统器人的局限性提供了一条具有巨大研究价值的新方向。2017 年，在北京航空航天大团队与德国Festo技术负责人Elias Knubben博士的合作下完成了OctopusGripper[31]（.3b）的研制，OctopusGripper 采用硅树脂制作，可以实现对多种不同形态、不同大体无损地稳定抓持，这是中国软体机器人领域发展的又一次重大突破。此外，浙江铁风、黄志龙团队开发出的软体仿生机器鱼在水中的游动速度打破了世界同类型软鱼的极限记录。由此可见，随着我国科学技术的不断进步，在国家的大力支持下，多的大学和科研机构展开了对软体机器人领域更为深入的研究，并将引领世界软体领域的发展方向[24]。

软体,机器人

图 1.2 软体机器人内科学家对软体机器人的探索起步比较晚，但是国内软体机器人的发16 年，中国科技大学陈小平课题组研发的一种天然刚柔合一型结构气手[30]（如图 1.3a）在软体机器人研究领域引发关注，该研究成果为消局限性提供了一条具有巨大研究价值的新方向。2017 年，在北京航空德国Festo技术负责人Elias Knubben博士的合作下完成了OctopusGr研制，OctopusGripper 采用硅树脂制作，可以实现对多种不同形态、地稳定抓持，这是中国软体机器人领域发展的又一次重大突破。此外黄志龙团队开发出的软体仿生机器鱼在水中的游动速度打破了世界同限记录。由此可见，随着我国科学技术的不断进步，在国家的大力支学和科研机构展开了对软体机器人领域更为深入的研究，并将引领世发展方向[24]。
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;TQ427.26

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