CN110524532B - 电子型人工肌肉电致动器及其制备方法和在手指驱动装置中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子型人工肌肉电致动器及其制备方法和在手指驱动装置中的应用，所述电子型人工肌肉电致动器由改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜、固定在该基底膜两侧的石墨/硅橡胶电极、导线和高压脉冲电信号组成；所述的基底膜是由在硅橡胶中掺杂经由IPDI改性的氧化石墨烯制备而成，所述的石墨/硅橡胶电极是在硅橡胶中掺杂石墨制备而成，固定在基底膜的两侧。在基底膜中添加改性后的氧化石墨烯提高了介电常数，因此使得致动性能得到提高。本发明的电子型人工肌肉电致动器能够在相同的电场电压下能够产生更大的变形，可以用于触觉感受器，在手指驱动方面，可以通过调节电压和频率改变对手指的驱动力的大小和频率的快慢，适用于不同的人群。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有大变形高性能的电子型人工肌肉的制备方法及其在手指驱动方面的应用。
背景技术
康复联系装置是在手外科的诊断和处理的基础上，针对手功能障碍的各种因素，例如瘢痕、挛缩、粘连、肿胀、关节僵硬、肌肉萎缩、感觉丧失或者异常等，采用相应的物理治疗、运动疗法、作业疗法、辅助器具、康复工程、心理治疗等康复手段，使得伤手恢复最大程度的功能，以适应日常生活活动和工作、学习。
现有的康复练习装置通常采用机械式的方法进行康复训练，装置包含电机、传动装置等部件，存在体积较大，重量较重等缺点。
介电弹性体固有的材料特性和工作原理提供了无与伦比的特点。这些可能适合为矫正系统提供足够的功能特性，同时使其至少更轻、更灵活和舒适，因此更容易穿戴和携带。
硅橡胶是以-Si-O-键为主链、有机基团为侧基的一类弹性体，自身具有特殊的半有机半无机结构，耐高低温性、耐候性、耐臭氧性、耐老化性、生理惰性和高透气性圴优异，在航空航天、汽车、电子和医疗器械等领域。
介电弹性体是一类在外加电场诱导下能够改变形状或体积，不施加电场时，它又能恢复到原来的形状或体积，具有特殊的力学及电学性能。可用于电能与机械能的相互转化，具有模量低、密度小、变形大、噪音小、响应迅速、能量密度高、电/力转化效率高等优点。介电弹性体是制造致动器、传感器、振动器和能量收集器等转换器的最有潜力电活性聚合物材料之一，在人工肌肉、智能仿生、航空航天、机械、生物等领域都有广泛的应用潜力。
介电弹性体(DEP)作为一种电活性聚合物，其重量轻，成本低，能效高，不需要额外的手段将电能转换为机械能。电极通电以后，产生电场，两电极之间异性电荷产生的静电引力在膜厚方向挤压弹性膜，水平方向同性电荷的静电排斥力则在单位电极上扩张薄膜，从而发生厚度和面积的变化：厚度减小，面积扩大。除去电场，弹性体膜便恢复到原来的形状或体积。中间层受到麦克斯韦力的作用，材料将沿电场施加的方向收缩，而在垂直于电场施加的方向拓展延伸。如图1所示，变薄产生形变，产生电—机械能转化。
当DEP的结构为理想结构时，电极作用在弹性体上所产生的电致形变与电场强度间的关系为:
式中：E为施加的电场强度，ε0＝8.854×10-12F/m是真空介电常数，εr是弹性体薄膜的相对介电常数，SZ是弹性体厚度方向的形变，Y是其杨氏模量。从工作原理公式可以看出介电弹性体的电机械响应能力与该材料的相对介电常数和电场强度的平方成正比，与杨氏模量成反比。因此可以看出，提高材料的介电常数及降低材料的模量，可以在更低的电场强度下，可以提高介电弹性体致动器的应变响应。
介电弹性体的驱动原理类似于并联的机电转换双板电容器如下图所示，其原理可以用以下方程说明：
σ＝εε0(E/d)2
其中σ称为麦克斯韦应力，是来自在表面上充电时产生的压缩压力，ε0是自由空间介电常数(ε0＝8.85×10-12F/m)，ε为相对介电常数，E和d代表提供的电压和电极之间的厚度。
由电致形变公式我们可以从介电常数、电压、弹性模量三个方面来提高最大形变量。过去的许多研究更多关注如何提高弹性体的介电常数。通常地，通过添加高用量的陶瓷介电填料以提高弹性体的介电常数，如广泛使用的铌镁酸铅(PMN)、镧锆钛酸铅(PLZT)和铌锌酸铅(PZN)导致成型微米级的薄膜材料缺陷多，容易被电击穿。如Yanju Liu等在以硅橡胶为基体材料，以介电常数超过的钦酸钡为填料制备出介电弹性体复合材料。但由于陶瓷填料的硬度较大，所得复合材料的介电常数随着填料用量的增加而上升的同时模量也大幅上升，使其需要在很高的电压下才能产生形变而且大量的钦酸钡与硅橡胶基体的相容性差，难以均匀分散,易引起局部电场过高，材料的击穿电压下降。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电子型人工肌肉及其制备方法和在手指驱动方面的应用。本发明采用在硅橡胶中掺杂经由KH590改性氧化石墨烯的方法制作基底膜，相较于硅橡胶基底膜提高了介电常数。采用提高介电常数的方法提高可以有效提高介电弹性体的形变能力，制成具有大形变高性能的电子型人工肌肉电致动器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种电子型人工肌肉电致动器，所述电子型人工肌肉电致动器由改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜、固定在该基底膜两侧的石墨/硅橡胶电极、导线和高压脉冲电信号组成；所述的基底膜是由在硅橡胶中掺杂经由3-异氰酸酯基亚甲基-3,5,5-三甲基环己基异氰酸酯(IPDI)改性的氧化石墨烯制备而成，所述的石墨/硅橡胶电极是在硅橡胶中掺杂石墨制备而成，固定在基底膜的两侧。
进一步，所述基底膜的厚度为0.2-0.5mm，基底膜两侧的石墨/硅橡胶电极的厚度为0.03-0.08mm。
进一步，所述基底膜的弹性模量为0.5-5MPa，基底膜的介电常数为2.2-4.5。
所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备改性氧化石墨烯；
(2)制备改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜溶液；
(3)制备改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜；
(4)改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜的预拉伸；
(5)石墨/硅橡胶电极溶液的制备；
(6)电子型人工肌肉电致动器：将步骤(5)搅拌均匀的石墨/硅橡胶电极溶液涂刷在步骤(4)进行预拉伸后的改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜上，放置于真空烘箱中45℃干燥240min，然后使用胶带将导线连接在石墨/硅橡胶电极处，将接好引线并涂好电极的基底膜缠绕在受压的弹簧上制作成电子型人工肌肉电致动器。
进一步，所述步骤(1)改性氧化石墨烯的制备方法如下：
a、取一个洁净烘干的100mL的圆底烧瓶，称取500mg GO粉末并量取30mL丙酮，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟，然后加入4g IPDI，继续超声分散10分钟；
b、搭建实验装置，将圆底烧瓶固定在铁架台上，加入催化剂两滴二月桂酸二丁基锡，加入转子，常温下反应10h，反应结束后用丙酮离心分离，取下层固体并抽滤，在真空干燥箱中60℃干燥24h得到GO-IPDI；
c、取2gGO-IPDI于离心管中，再取20mL丙酮，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟，然后加入10g羟基硅油继续超声分散10分钟；加入两滴催化剂二月桂酸二丁基锡，加入转子，60℃下冷凝回流反应10h，离心分离产物，并用乙醇清洗3次，将产物在60℃下干燥24h得到改性氧化石墨烯。
所述步骤(2)改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜溶液的制备方法如下：将1.44mg干燥好的改性氧化石墨烯超声处理分散到4g正庚烷溶液中，再将12g的186硅橡胶与18g正庚烷溶液混合均匀，将混合于正庚烷中的改性氧化石墨烯粉末加入到正庚烷和硅橡胶的混合溶液中，并加入1.2g交联剂(DowCorning)，用PMMA棒搅拌30min使其分散均匀，置于0.8MPa真空容器中5-7min排除气泡，得到改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜溶液。
进一步，所述步骤(3)改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜的制备方法如下：将制备好的氧化石墨烯/硅橡胶溶液倒入有机玻璃模具中，放置于真空干燥烘箱中，设置温度为60℃，设置时间为280min，固化成膜得到氧化石墨烯/硅橡胶基底膜。
进一步，所述步骤(4)将氧化石墨烯/硅橡胶基底膜切边处理，进行等轴双向拉伸，使基底膜形变量达到70％，预拉伸后的基底膜放入到80℃的真空烘箱中加热240min。
进一步，所述步骤(5)中石墨/硅橡胶电极溶液的制备方法如下：将石墨粉末加入到硅橡胶(DowCorning，Midland,MI,USA)中，然后加入交联剂(DowCorning)和正庚烷搅拌均匀备用；其中石墨粉末、186硅橡胶、交联剂和正庚烷的质量比为5:10:1:8。
所述的电子型人工肌肉电致动器在手指驱动装置中的应用：所述手指驱动装置包括支架、电子型人工肌肉电致动器、绳索、滑轮和指环，所述绳索的一端与电子型人工肌肉电致动器连接，绳索的另一端经由滑轮与指环连接，所述滑轮设置在支架上，电子型人工肌肉电致动器的导线连接外加高压脉冲电信号，所述的电子型人工肌肉可通过导线连接外加高压脉冲电信号进行驱动，这样就通过设置适合患者手指运动的参数对手指进行康复训练；高压脉冲电信号为0.1-10Hz，0.8-11kV。
本发明的有益效果：1.本发明的电子型人工肌肉电致动器具有优秀的电-机转换性能，能够产生大的变形，相比于硅橡胶膜的电致形变量提高1.15-1.4倍。2.本发明的电子型人工肌肉电致动器在用途上更加的广阔，譬如，由于本发明的电子型人工肌肉电致动器能够在相同的电场电压下能够产生更大的变形，因此可以用于触觉感受器，也可以用于制备人工肌肉、微流控泵阀、扬声器及灵敏触觉显示等机-电转换驱动器件。在手指驱动方面，可以通过调节电压和频率改变对手指的驱动力的大小和频率的快慢，适用于不同的人群。3.基底膜具备优秀的形变/致动能力：在基底膜中添加改性后的氧化石墨烯提高了介电常数，因此使得致动性能得到提高。4.利用两步法在GO表面接枝IPDI再接PDMS,制备的GO-IPDI-PDMS。可以提高GO与非极性溶剂、非极性聚合物的相容性，使其在聚合物中能够均匀分散，提离复合材料的各项性能能如力学、介电、导电、导热等。
附图说明
图1电子型人工肌肉结构图；
图2电子型人工肌肉电致动器驱动原理示意图；
图3轴向致动器结构图；
图4轴向致动器制作示意图；
图5轴向致动器行程原理图；
图6电子型人工肌肉手指驱动装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1(制备改性石氧化石墨烯/硅橡胶基底膜)
取一个洁净烘干的100mL的圆底烧瓶，称取500mg GO粉末并量取30mL丙酮，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟。称取4g IPDI(3-异氰酸酯基亚甲基-3,5,5-三)加入烧瓶中，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟。搭建实验装置，使烧瓶固定在铁架台上，加入两滴催化剂(二月桂酸二丁基锡)，加入转子，常温下反应10h。反应结束后用丙酮离心分离，取下层固体并抽滤，在真空干燥箱中60℃干燥一夜得到GO-IPDI；取2gGO-IPDI于离心管中，再取20mL丙酮，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟。将10g羟基硅油加入离心管中，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟。加入两滴催化剂，加入转子，60℃下冷凝回流反应10h。离心分离产物，并用乙醇清洗3次，将产物在60℃下干燥24h。将1.44mg干燥好的改性氧化石墨烯超声处理分散到4g的正庚烷溶液中，再将12g的186硅橡胶与18g正庚烷溶液混合均匀，将混合于正庚烷中的改性氧化石墨烯粉末加入到正庚烷和硅橡胶的混合溶液中，并加入0.8g交联剂，用PMMA棒搅拌30min使其分散均匀，置于0.8MPa真空容器中5-7min排除气泡。将制备好的氧化石墨烯/硅橡胶溶液倒入70*70*10mm的有机玻璃模具中，放置于真空干燥烘箱中，设置温度为60℃，设置时间为280min，固化成膜。
实施例2(大变形电子型人工肌肉电致动器的制备)
将固化的氧化石墨烯/硅橡胶基底膜从模具中取出，切边处理，然后进行等轴双向拉伸，使基底膜形变量达到70％。将基底膜放入到80℃的真空烘箱中加热240min。称取5.0g的石墨粉末加入到盛有10.0g的硅橡胶溶液中，加入1g的交联剂，加入8g正庚烷搅拌均匀。将搅拌均匀的石墨/硅橡胶电极溶液涂刷在基底膜上，放置于真空烘箱中45℃干燥240min。
通过四探针仪器测试得到电极的面电阻是如表1所示。
表1 电极的面电阻
实施例3(硅橡胶膜的制备)
首先称取5.0g186硅橡胶和0.5g交联剂，然后加入15mL正庚烷，混合均匀，抽真空去除溶液中的气泡，最后在模具中浇铸，放在烘箱里设置60℃，时间240min。
实施例4电致动性能
电子型人工肌肉的电信号
实验装置主要由信号产生单元、信号放大单元组成。信号产生单元的硬件由NI公司的6024E多功能数据采集卡组成；软件由LabVIEW编程得到；信号放大单元由TI公司的功率放大芯片OPA548组成。
电致动性能测试：将氧化石墨烯/硅橡胶为基底膜的电子型人工肌肉电致动器和以硅橡胶为基底膜的电致动器分别置于电源的两极，控制电压处于1.5～10kV之间，工作频率为0.1～20Hz，用摄像机全程记录电子型人工肌肉电致动器的形变过程，经过计算得到不同电压和不同频率下形变结果(表2)。
表2 同电压和不同频率下形变结果
实施例5
电子型人工肌肉电致动器在手指驱动装置中的应用：所述手指驱动装置包括支架、电子型人工肌肉电致动器、绳索、滑轮和指环，所述绳索的一端与电子型人工肌肉电致动器连接，绳索的另一端经由滑轮与指环连接，所述滑轮设置在支架上，电子型人工肌肉电致动器的导线连接外加高压脉冲电信号。
手指驱动装置的制备：首先将10*10*0.5mm的改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜再两个方向上进行等轴预拉伸，然后涂抹石墨/硅橡胶电极，在40℃烘箱中干燥240min固化，然后使用胶带将导线连接在石墨/硅橡胶电极处，将接好引线并涂好电极的基底膜缠绕在受压的弹簧上制作成电子型人工肌肉电致动器(如图4所示)。当将受拉伸的基底膜缠绕在弹簧上时，基底膜的张力与弹簧的弹性恢复力相互作用，使得致动器达到一个平衡的初始长度h。当向该致动器施加电压载荷时，薄膜的张力被Maxwell静电力削弱，弹簧向其原始长度恢复而产生一个伸长量H，当电压卸载后，基底膜的张力恢复，弹簧再次被压缩，致动器恢复到初始状态(如图5所示)。这样就会产生一个行程，驱动手指运动。
将制作好的电子型人工肌肉放置在支架1上，将绳索3与电子型人工肌肉2内部的弹簧相连，绳索3绕过滑轮4与指环5相连，从而进行手指康复训练(如图6所示)。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制备改性氧化石墨烯；
（2）制备改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜溶液；
（3）制备改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜；
（4）改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜的预拉伸；
（5）石墨/硅橡胶电极溶液的制备；
（6）电子型人工肌肉电致动器：将步骤（5）搅拌均匀的石墨/硅橡胶电极溶液涂刷在步骤（4）进行预拉伸后的改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜上，放置于真空烘箱中45℃干燥240min，然后使用胶带将导线连接在石墨/硅橡胶电极处，将接好引线并涂好电极的基底膜缠绕在受压的弹簧上制作成电子型人工肌肉电致动器；
所述步骤（1）改性氧化石墨烯的制备方法如下：
a、取一个洁净烘干的100mL的圆底烧瓶，称取500mg GO粉末并量取30mL丙酮，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟，然后加入4g IPDI，继续超声分散10分钟；
b、搭建实验装置，将圆底烧瓶固定在铁架台上，加入催化剂两滴二月桂酸二丁基锡，加入转子，常温下反应10h，反应结束后用丙酮离心分离，取下层固体并抽滤，在真空干燥箱中60℃干燥24h得到GO-IPDI；
c、取2gGO-IPDI于离心管中，再取20mL丙酮，超声波细胞粉碎机超声分散10分钟，然后加入10g羟基硅油继续超声分散10分钟；加入两滴催化剂二月桂酸二丁基锡，加入转子，60℃下冷凝回流反应10h，离心分离产物，并用乙醇清洗3次，将产物在60℃下干燥24h得到改性氧化石墨烯；
所述电子型人工肌肉电致动器由改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜、固定在该基底膜两侧的石墨/硅橡胶电极、导线和高压脉冲电信号组成；所述的基底膜是由在硅橡胶中掺杂经由3-异氰酸酯基亚甲基-3,5,5-三甲基环己基异氰酸酯（IPDI）改性的氧化石墨烯制备而成，所述的石墨/硅橡胶电极是在硅橡胶中掺杂石墨制备而成，固定在基底膜的两侧。
2.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于：所述基底膜的厚度为0.2-0.5mm，基底膜两侧的石墨/硅橡胶电极的厚度为0.03-0.08mm。
3.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于：所述基底膜的弹性模量为0.5-5MPa，基底膜的介电常数为2.2-4.5。
4.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜溶液的制备方法如下：将1.44mg干燥好的改性氧化石墨烯超声处理分散到4g正庚烷溶液中，再将12g的186硅橡胶与18g正庚烷溶液混合均匀，将混合于正庚烷中的改性氧化石墨烯粉末加入到正庚烷和硅橡胶的混合溶液中，并加入1.2g交联剂，用PMMA棒搅拌30min使其分散均匀，置于0.8MPa真空容器中5-7min排除气泡，得到改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜溶液。
5.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）改性氧化石墨烯/硅橡胶基底膜的制备方法如下：将制备好的氧化石墨烯/硅橡胶溶液倒入有机玻璃模具中，放置于真空干燥烘箱中，设置温度为60℃，设置时间为280min，固化成膜得到氧化石墨烯/硅橡胶基底膜。
6.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）将氧化石墨烯/硅橡胶基底膜切边处理，进行等轴双向拉伸，使基底膜形变量达到70%，预拉伸后的基底膜放入到80℃的真空烘箱中加热240min。
7.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中石墨/硅橡胶电极溶液的制备方法如下：将石墨粉末加入到硅橡胶中，然后加入交联剂和正庚烷搅拌均匀备用；其中石墨粉末、186硅橡胶、交联剂和正庚烷的质量比为5:10:1:8。
8.根据权利要求1-7任一所述的制备方法制得的电子型人工肌肉电致动器在手指驱动装置中的应用，其特征在于：所述手指驱动装置包括支架（1）、电子型人工肌肉电致动器（2）、绳索（3）、滑轮（4）和指环（5），所述绳索的一端与电子型人工肌肉电致动器连接，绳索的另一端经由滑轮与指环连接，所述滑轮设置在支架上，电子型人工肌肉电致动器的导线连接外加高压脉冲电信号。
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