英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Multidirectional Artificial Muscles from Nylon
Seyed M. Mirvakili* and Ian W. Hunter*
在肌肉样致动器领域已经有了很大的进展。自发现新型材料以来，如热响应聚合物、[1]导电聚合物、[2-4]介电弹性体、[4-6]碳纳米管、[7-10]石墨烯、[11-13]等材料。提高人工肌肉的循环寿命、重量/体积能量和/或功率密度、效率、成本和可控性等性能指标一直是一个活跃的研究领域。然而，很少有人造肌肉具有上述性能参数的良好组合。例如，虽然形状记忆合金可以提供高的收缩应力(200-480 MPa)，但它们在高拉伸应变下的不良循环寿命(lt;1000个循环)、高成本(300美元/ kg - 1)、低效率和难以控制限制了它们的应用。导电聚合物的收缩应力为2 - 120mpa，要求较低的激发电压(lt; 4v)，但它们动作缓慢，受低电化学耦合的影响，在当前的小膜驱动器中，其产生的力的可伸缩性也只有几个mN的量级[4,14]。最近发现的由碳纳米管纱[8,9]和纳米线纱[15]制成的微型线性和扭转人工肌肉具有较长的循环寿命(gt; 100万次)，但其制造成本还不足以实现商业化。最近，尼龙纤维(如用作高性能钓鱼线和缝纫线的纤维)被引入人工肌肉领域[1,16]。尼龙，当高度沿着它的长度定向时，具有各向异性热膨胀行为，这使得相对较大的线性拉伸驱动(高达49%)时，纤维高度扭曲和卷曲。[1,16]这些廉价的(5 $ kgminus;1)高强度聚合物纤维可以举起比同等长度和重量的人类肌肉重100倍以上的负荷。这种49%张力驱动和2.63 kJ kg 1能量密度[1]的组合为许多仿生应用打开了大门。例如，从人体手部解剖结构中获得灵感的人造手指是由缠绕的尼龙长丝制成的。[17,18]这些弯曲人工肌肉的缺点之一是，它们将缠绕尼龙纤维的线性运动转化为弯曲运动，而弯曲运动需要很大的空间来存储线性致动器。在这项工作中，我们采取了一个完全不同的方法，使弯曲和多向尼龙人造肌肉。我们的方法使用尼龙驱动器本身的弯曲，从而消除了需要的机械传动机构和存储长线性驱动器的空间，使其可扩展性和可控性更容易。
在这里，我们证明了通过辊压高度定向尼龙细丝成矩形或方形横截面梁，并将热量施加到这些结构的一侧，可以制成弯曲或多向的人造肌肉(支持信息)。
矩形截面的尼龙梁在一个平面(X或Y)上实现了完全可逆弯曲，而尼龙方杆在身体不同侧面加热时可以实现二维弯曲(XY平面)。驱动所需的热量通过两种机制产生:焦耳加热和光热加热。为了在尼龙梁的表面上创建焦耳加热痕迹，我们开发了一种导电涂料，它是微米大小的银色薄片与金属纳米线(如铌、[19])混合在粘合剂树脂中的胶态悬浮液(图1A F)(图S2，支撑信息)。任何类型的高导电性纳米线，只要长度合适(例如，几毫米)都可以。光热的激励,提高光吸收表面的致动器,我们浸涂尼龙梁导热涂料解决方案,我们开发了从高导热石墨烯片(图1 c),然后驱动两个梁高功率激光二极管(图S3,支持信息)。
取向尼龙纤维具有各向异性热膨胀行为;它的长度减少了约2.5%，厚度增加了约4.5%，从25度到140度(图1)。负的热膨胀系数源于这样一个事实，即非晶相的高度拉伸聚合物，如尼龙，在能量上不如它们的晶态稳定。因此，当加热时，它们在获得构象熵时可以提供较大的可逆收缩(图S11，支持信息)。[1,20]从图1I可以看出，横向热膨胀系数随温度的非线性变化，从lt; 2.8 105k1到高于玻璃化温度(Tg)的较大的负向热膨胀系数gt; 2.8 104k1。这种负热膨胀行为是尼龙执行机构工作原理背后的支配现象。在热激活的弯曲驱动器，如热双晶，通常有一个热绝缘层之间的顶层和底层，以保持所需的热梯度驱动。由于尼龙的导热性差，我们在执行器的设计中只使用了一个刚体，没有任何热绝缘层。如图1H所示，我们使用的尼龙前驱体的导热系数约为0.1 W m1 K 1，与银(420 W m1 K 1)相比，这是非常低的。因此，根据热扩散时间常数方程(式(1))，热量在尼龙梁的厚度上传递需要几秒钟的时间。这种缓慢的传热速度为受热部分提供了足够的时间来收缩和弯曲整个梁(图2B)。
图1。(A)一种扫描电子显微镜(SEM)在尼龙梁上的花纹导电涂层的图像(规模为400个)。(B)导电涂料的SEM图像显示银片和纳米(比例尺5)。inset展示了一个单独的Nb纳米,与银片和树脂(规模bar 2)混合在一起。(C)一种基于石墨烯的热导电涂层的SEM图像,为执行机构的光热激发(规模bar 30)。inset是石墨烯烧结的一小块(规模为300 nm)。(D)由尼龙梁和方形棒制成的弯曲(左)和多方向(右)执行器。灰色的路径代表了由导电涂料制成的焦耳加热痕迹。(E)和(F)弯曲致动器横截面的SEM图像显示40点的涂层厚度。规模分别为250个、25个、25个。(G)动态模量作为一种退火尼龙梁的温度函数(l,w,t:9.69 mm,1.88 mm,0.249 mm)。inset显示了Tan unk(在应力和应变之间的相位滞后)。在488°C中,最高可被解释为玻璃过渡温度。(H)尼龙作为温度的函数的导热性和扩散性。(I)以尼龙梁的厚度(按R)和长度()的厚度进行热膨胀,作为温度的函数。
t是厚度,alpha;是热扩散系数,导热系数k,体积质量密度rho;,Cp的比热容。
另一个有助于弯曲的现象是尼龙的动态模量对温度变化的敏感性。通过将温度从25℃提高到150℃，进行储藏模量(ε′)尼龙下降88%(图1 g)使承包方面更容易弯曲,整个结构。这个大模量下降还负责衰变的尖端产生的阻碍力致动器在高温下(Fblsim;ε′)。tandelta;图(图1 g插图)表明玻璃化转变温度约49°C的尼龙前体被用于这项工作,在协议的价值从差示扫描量热法测量技术(图S5,支持信息)。
测量了输入功率为19.4 kW mminus;2(或mW mmminus;2)时完全可恢复对称动态范围1.25(以致动器长度归一化的峰值-峰值振幅)，接近1.2732的理论极限。4 /pi;)弯曲致动器(图2 c)(附录和视频S1, 支持信息)。可逆的曲率半径的53.6毫米从这个样例实现同意的模型显示在温度96 c这曲率半径小于83.3毫米报告海绵石墨烯双压电晶片零件致动器,[12]但大于10毫米报道trilayer聚合物驱动器。[4]曲率半径达到了21.6毫米的输入功率21.55千瓦m 2但尼龙梁略永久变形形状。温度范围为25 150 C我们的模型显示一个下界曲率半径的16.2毫米(支持信息)。
图2。A)恒定功率连续方波输入信号激励下弯曲驱动器的温度随时间的变化。在每一输入功率下，经过几次激励后温度达到稳定。插图显示在输入功率为0.75 W时，执行器厚度的温度梯度为3 C。B)通过加热驱动器的一侧，非晶链(红线)的长度缩小，晶区(蓝线)的体积扩大。其结果是梁在其受热表面的表面收缩，从而产生弯曲运动。C)尼龙梁可逆弯曲图像。D)恒定功率下，执行器(l,w,t: 66.6 mm, 3.54 mm, 0.64 mm)的开关等待格式的离散激励。为了更好地说明拟合，20到30秒的数据被少采样了6倍。插图:执行器的冷却和加热可以通过指数响应来建模。弯曲我们= Ao [1 exp (t / Htau;)]和放松我们= Aoexp (t /tau;C)在Ao的振幅从零位驱动,tau;H和C是加热和冷却的时间常数tau;,分别。tau;H和tau;C是1.15和0.60年代,分别。E)连续激励时弯曲驱动器的振幅和峰值速度随时间的变化。模型与实验结果(虚线与方点)吻合。F)由尼龙弯曲致动器(l,w,t: 80mm, 2.6 mm, 0.7 mm)产生的力，该致动器在输入功率为2w (9.6 kW m2)的情况下，在150℃退火。
通过改变执行器两侧的输入功率，我们观察到执行器的表面温度逐渐升高，直至达到一个与功率有关的平台(图2A)(图S8，支撑信息)。除了温度，我们观察到振幅也在几个周期内增长，直到达到一个平台(图2E)。如图2A(插图)所示，在高原上，大约3c的温度梯度使光束保持工作状态。这个温度梯度很小而相变所需的热梯度材料,如最大(Delta;T = 15 C)。需要注意的是，在很长的脉冲中，振幅可以在一个周期内到达平台。
用脉冲一边等待脉冲一边等待的方法代替脉冲一边等待一边连续驱动肌肉的方法，对尼龙的性能进行了进一步的研究。等待时间足够长，以确保在室温下执行器的热平衡。如图2D所示，我们没有达到增长的幅度。这里的优点是稳态响应不会分散在几个周期内，在一个周期内我们可以达到期望的振幅。
除了突出的位移性能，尼龙弯曲驱动器也可以产生相当大的阻塞力，即使在室温下只有12%的存储模量值。我们测量了弯曲致动器的归一化力(支撑信息)，最高可达7.5 MPa(完全可回收no catch)(图2F)和55 MPa (catch-index为0.12)(图4B)(图S7，支撑信息)。这些测量的力高于离子-液体基bucky凝胶(231 kPa)、[22]导电聚合物弯曲驱动器(0.4 0.9 MPa)、[14,23]和基于ipmc的弯曲人工肌肉(23 MPa)的归一化峰值力。所测得的完全可恢复力可与短压电双晶产生的6.8 MPa的归一化阻挡力(即， lt; 10mm)，但这些压电双晶在零端载荷下的全动态范围仅为400 m(按长度归一化为0.04)[25]
所测得的峰值力低于尼龙线性驱动器(以直丝或缠绕线圈光纤的形式)所能达到的峰值力。这种差异可以用材料的力学原理来解释——弯曲人造肌肉在单位长度的肌肉上产生较大的位移，但是它们产生的力要比线性驱动器产生的力小。
如前所述，在梁的厚度上保持温度梯度是非常重要的。梁的厚度和环境温度(在被动冷却装置中)是影响弯曲振幅的两个参数(方程(2))。通过降低温度梯度，弯曲驱动器变为线性驱动器，可以产生大量的力量和很小的位移正交于驱动器的轴线。
为了补偿在执行过程或制造过程中焦耳加热道电阻的任何变化，我们通过PID控制器控制施加的电压，以确保在执行过程中给执行器的两侧提供恒定的功率(图3A)(支持信息)。
通过循环输入功率，我们观察到一个完全可逆的振幅响应(图3B,C)。这种可逆性在不使用任何位置传感器的情况下，对于控制执行器尖端的位置非常有帮助。
为了解释执行器的行为，我们建立了一个数学模型，将执行器的长度和其他参数与执行器尖端的位移联系起来，如下(支撑信息):
其中alpha;T是与温度有关的热膨胀系数,Delta;T之间的区别是在致动器的表面温度(T)和初始温度(Ti)(例如,温度梯度跨厚度),hT是致动器的厚度与温度有关的,和L致动器的长度。由于alpha;T依赖于温度,致动器的尖端的位移是非线性的温度变化。图3C,D证实了这种非线性关系。利用热膨胀系数的测量值(图1I)和温度与功率关系的斜率(图3D)，可以预测振幅与温度的函数关系(图3D和图S10A，支撑信息)。如图3D所示，建模结果(黑色虚线)与实验数据(黑色方块)的趋势一致。
在退火过程中，尼龙的长度缩短了25%。我们观察到，当我们把退火温度从150℃降低到60℃时，驱动运动的可逆性也会降低。换句话说，弯曲致动器在关闭致动器后可以保持在一个固定的位置。这类似于某些生物肌肉(如软体动物)所具有的捕捉状态。Catch-state或lock-state是指肌肉在不消耗能量的情况下锁定当前长度。我们观察到退火温度与锁模振幅/力与主动振幅/力之比(catch-index，下文)呈线性相关(图4A)。当我们把肌肉的温度提高到高于肌肉退火的温度时，就会发生这种“捕捉状态”。所以从长远来看，在驱动过程中，肌肉会经历多个周期的退火，从而降低捕捉指数。该问题可以通过设计锁机制来解决。但是，对于主动导尿管这样的应用，如果只需要几个循环的捕获状态，那么尼龙的成本就足够低，可以避免添加任何附件来获得永久的捕获状态。如图4B所示，致动器在主动状态下产生的1400 mN峰值力中约有160 mN。
通过轧辊把尼龙压过轧机的V形槽，我们制成了尼龙方棒。遵循同样的弯曲驱动器的制作过程，我们用我们的导电涂料创建了四个焦耳加热痕迹(图1D)。当对执行器的每一侧都施加功率时，如果杆的每一侧都同时激励，则可以实现X、Y甚至Z方向的弯曲。为了给执行器的每一侧提供可变电压，我们使用了由肖特基二极管制成的半桥整流器(图S6，支持信息)。通过应用两相的正弦信号90两端的致动器(顶部和底部连接到Vosin(omega;·t),左和右连接(Vosin(omega;·t pi;/ 2)致动器年代提示遍历一个圆形路径(图4 d,视频S2,支持信息)。同样，通过应用两个相位差为90的三角形信号，执行器s端通过一个正方形路径(图4E，视频S3，支持信息)。当两个正弦波其中一个频率是另一个的两倍，并有90个异相时，观察到更复杂的轨迹，如Lissajous图形(图4F，视频S4，支持信息)。
我们测量了两个不同尺寸的弯曲驱动器的频率响应(图4G，视频S5，支持信息)。较薄致动器的共振频率为8.96 Hz，较薄致动器的共振频率为16.78 Hz。由悬臂梁[26]的固有频率方程可得:
t是致动器的厚度,L是梁的长度,E是年轻的年代模量,体积质量密度rho;。梁的共振频率与梁的t/L2之比相匹配，说明我们可以通过调整梁的尺寸来控制共振频率。
我们使用了两个6w蓝色(450 nm)激光二极管来激发一束薄薄的尼龙光束(l, W,t: 21.5 mm, 0.7 mm, 112 m)，涂层为导热涂料(图S3，支持信息)。由于冷却时间常数与厚度成线性比例，通过使光束更薄，我们可以预期更快的冷却时间，因此，更高的激发率。在尼龙厚度上的传导与厚度的平方成比例，这意味着振幅更快地达到稳定状态。在输出功率为65mw时，用激光二极管激励光束，测量了2hz时2.5 mm的峰值振幅。由于激光束只加热激光束表面的一个很小的区域，因此其长度上的位移比我们从焦耳加热的驱动器上观察到的要小(视频S6，支持信息)。
我们测量了尼龙弯曲驱动器(l,w,t: 90mm, 3m
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236583]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
