石墨烯智能机器人的制备与多场耦合操控研究

发布时间：2020-08-14 15:12

【摘要】：在智能化迅速发展的今天,随着外界条件改变引发机械形变的智能微机械器件备受国内外研究学者的关注。传统的微机械系统特指机电一体化,用于执行、转动等部件以完成指定的动作。随着材料学和器件制造方法的快速发展,基于新型材料的智能响应微机械器件应运而生,特别是如聚合物,石墨烯等柔性材料在制备智能器件方面具有自身独特的优势。它们易于加工成型,具有良好的柔韧性,可以操控的方式更加多样,使其在微型驱动方面应用更加灵活。然而目前国内外大多数研究工作局限于对智能器件的操控方式单一,且所获得的驱动器件往往只能完成某一特定的动作,在多功能应用方面受到制约。为了解决这一问题,本论文着眼于石墨烯材料,通过添加具有不同响应特性的纳米粒子,结合激光局部改性的方法,实现了多场耦合操控器件完成复杂运动,取得的主要成果如下:(1)等离子体辅助石墨烯光控机器人:将石墨烯氧化物与金纳米棒材料进行复合,提升复合材料的光热转化效率,降低驱动阈值,同时通过改变金纳米棒的长径比实现器件波长选择性的连续调控。利用激光局部还原石墨烯氧化物的方法,制备光热关节图案,进一步调控关节部位复合材料的光吸收与热传导特性,形成“关节”部位原位集成,实现了类似肌肉牵拉作用的关节弯曲效果。由此设计制造了仿生蜘蛛、捕蝇草、仿生手部关节等概念机器人,并通过光控实验验证了对其的可控驱动。(2)磁场与光场耦合操控的多向爬行机器人:将石墨烯材料与超顺磁性四氧化三铁纳米粒子复合,制备石墨烯磁性复合智能薄膜,由此制造了磁场与光场耦合操控的多向爬行机器人。利用外界磁场强度及方向变化实现机器人的重心定位;依靠材料自身光响形变实现驱动爬行,通过磁场、光场的耦合操控实现仿生螃蟹机器人的爬行路径规划。(3)光、湿、磁三场耦合操控的多模式运动机器人:石墨烯氧化物材料具有湿度响应特性,结合光热脱湿效应,材料可以在光场、湿度耦合的条件下进行双向驱动。再将石墨烯氧化物材料中加入磁性纳米粒子,便可以实现光、湿、磁三场耦合操控。为实现石墨烯磁性复合薄膜的多场耦合驱动,我们采用一种磁场辅助纳米材料梯度组装的材料智能化制备新方法,依靠材料特性梯度实现复合材料的多场耦合操控。具体包括石墨烯氧化物的湿度响应膨胀、光响应脱附收缩及磁响应定位。避免了双层、多层刺激响应材料层间黏附性差的问题。所制备的机器人具备平动、转动、复杂形变等多种驱动模式,可实现定向运动、抓取释放和旋转等多种功能,该机器人可以非接触式远程操控,实现特殊环境下(密闭空间、水面上)对目标物体的运输。(4)光、湿度、表面张力耦合操控的仿生水黾运动:通过对水黾独特的水面行走能力进行观察分析,归纳了水黾运动的三重特性:身轻、腿部疏水、划水运动。针对水黾水上运动模型,制备了超疏水涂层修饰的金属水黾腿和等离子体辅助的光响应石墨烯氧化物驱动骨架,通过组装制作了光、湿度、表面张力耦合操控的水面运动机器人。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242.6

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 闫守文;;石墨烯在橡胶中的应用研究进展[J];化工设计通讯;2019年08期

2 张霞;黄刚;周超;袁小亚;贺俊玺;冯曼曼;刘昭;;石墨烯在沥青复合材料中的研究现状[J];中南大学学报(自然科学版);2019年07期

3 《物理化学学报》编辑部;;专访中国石墨烯领军人物：刘忠范院士及他的团队[J];物理化学学报;2019年08期

4 金旭东;倪芝青;罗如意;;专利视角下中美韩石墨烯技术的比较研究及对策[J];科技通报;2019年09期

5 金婷;杨坤;姚希;史立红;侯淼;孙思;;全球石墨烯专利发展现状及竞争态势分析[J];中国发明与专利;2019年09期

6 ;北大成功在玻璃表面实现石墨烯直接生长[J];中国粉体工业;2015年06期

7 ;各方忽视 我国或错失石墨烯产业化良机[J];中国粉体工业;2013年03期

8 ;年产100吨石墨烯粉体生产线在常州投运[J];中国粉体工业;2013年06期

9 ;石墨烯标委会拟成立 石墨烯标准化制定企业待定[J];中国粉体工业;2013年06期

10 ;石墨烯行业发展部署启动 鼓励各省成立独立联盟[J];中国粉体工业;2013年06期

相关会议论文 前10条

1 邢瑞光;李亚男;张邦文;;功能化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的制备及介电性能研究[A];2019年第四届全国新能源与化工新材料学术会议暨全国能量转换与存储材料学术研讨会摘要集[C];2019年

2 郑龙;许宗超;张立群;温世鹏;刘力;;石墨烯/橡胶纳米复合材料的基础研究以及工业化应用[A];第十四届中国橡胶基础研究研讨会会议摘要集[C];2018年

3 王庆国;张炜;王凯;王莎莎;;石墨烯在汽车领域的应用展望[A];第十八届中国科协年会——分2 中国新能源汽车产业创新发展论坛论文集[C];2016年

4 刘东;李丽波;由天艳;;电化学制备氮掺杂石墨烯及其在催化氧气还原反应中的应用[A];第十三届全国电分析化学学术会议会议论文摘要集[C];2017年

5 王莹;刘子顺;;通过缺陷设计实现石墨烯的自发卷起和组装[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（上）[C];2018年

6 高超;方波;;石墨烯宏观组装及多功能复合材料[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题M：高分子共混与复合体系[C];2017年

7 李永军;杨阳;戴静;黄晓宇;;功能化石墨烯、氟化石墨烯及石墨烷的制备[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题O：共价骨架高分子与二维高分子[C];2017年

8 梁秀敏;江雷;程群峰;;仿生石墨烯纤维研究进展[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题M：高分子共混与复合体系[C];2017年

9 方浩明;白树林;;三维石墨烯填充高导热弹性体[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题M：高分子共混与复合体系[C];2017年

10 许亮;邹聪;董鉴锐;张兴权;罗铭;左明明;曹振兴;;氧化石墨烯涂层的制备及其性能表征[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题K：高性能高分子[C];2017年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 王彦彬;石墨烯将怎样改变通信？[N];通信产业报;2016年

2 本报记者 倪伟;石墨烯概念持续升温[N];中国证券报;2019年

3 重庆商报-上游新闻记者 严薇;诺奖得主科斯提亚·诺沃肖洛夫：重庆石墨烯产业大有可为[N];重庆商报;2019年

4 本报记者 樊小帅;石墨烯引领采暖新风尚[N];延安日报;2019年

5 宗华;科学家发明石墨烯染发剂[N];中国科学报;2018年

6 通讯员 谢桂玲;加快推进石墨烯产业发展[N];厦门日报;2019年

7 ;全球石墨烯创新大会助力西安产业蝶变[N];西安日报;2019年

8 沈春蕾 刘言;金属所氧化石墨烯实现绿色制备[N];中国科学报;2018年

9 周娜;关于特色小镇发展的几点思考[N];江苏经济报;2019年

10 艾班;石墨烯生物材料制备成功[N];中国化工报;2014年

相关博士学位论文 前10条

1 刘璐;纳米碳基催化剂材料制备及在污染水体处理中应用和机制研究[D];吉林大学;2019年

2 陈洋;基于图案化石墨烯电极的有机光电器件研究[D];吉林大学;2019年

3 王子莹;半导体氧化物与石墨烯复合材料的表面调控及其室温NO_2气体传感性能的研究[D];吉林大学;2019年

4 任黎明;黄原胶稳定氧化石墨烯负载纳米铁去除地下水中六价铬污染的研究[D];吉林大学;2019年

5 靳会超;基于谐动防污策略的弹性仿生防污膜制备及防污机制[D];吉林大学;2019年

6 韩冰;石墨烯智能机器人的制备与多场耦合操控研究[D];吉林大学;2019年

7 崔婷婷;范德华力调控材料性能：尺寸和压力的作用[D];吉林大学;2019年

8 宋云云;仿生结构化石墨烯多功能表面的制备及集水性能研究[D];吉林大学;2019年

9 曾省忠;基于AFM的石墨烯表面纳米摩擦研究[D];东华大学;2019年

10 郑贤宏;高性能石墨烯纤维及其柔性超级电容器研究[D];东华大学;2019年

相关硕士学位论文 前10条

1 许淑虹;亲氧金属（Bi、Ni、W）对Pt/石墨烯复合物的修饰及其双功能电催化性能研究[D];福建师范大学;2018年

2 杨建召;氧化石墨烯气敏材料制备及在有毒有害气体检测中的应用[D];西南科技大学;2019年

3 刘文琪;石墨烯基复合材料的制备及其在热管理材料方面的应用研究[D];上海交通大学;2017年

4 刘立言;氧化石墨烯—二氧化钛改性超滤膜在水处理中的应用[D];上海交通大学;2017年

5 孙月;基于石墨烯导热结构的聚合物热光开关研究[D];吉林大学;2019年

6 石利粉;氧化石墨烯二维限域下水的结构和高压结构相变研究[D];吉林大学;2019年

7 阙龙坤;石墨烯网络材料可控修饰及其对超级电容器性能的影响[D];西南科技大学;2019年

8 周博通;石墨烯/活性炭复合材料的制备及超电容性能研究[D];中国矿业大学;2019年

9 刘斯亮;氧化石墨烯对肠炎小鼠肠上皮细胞损伤的影响及机制研究[D];南方医科大学;2019年

10 陆陈宝;石墨烯基二维复合材料的制备及其在能源存储与转换中的应用[D];上海交通大学;2017年

本文编号：2793193