CN108727622B - 一种仿生智能柔性驱动器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生智能柔性驱动器的制备方法，其特征是以具备快速响应性的温敏型水凝胶为材料基础，通过水热合成反应，制备出厚度方向微观孔的尺寸呈梯度渐变的结构形式，通过氧化石墨烯的“整体浸渗”和“局部浸渗”并结合相应的仿生结构设计，制备出了一系列近红外光控制的，具有快速响应性的仿生智能柔性驱动器。实现了诸如“折纸盒”、“手指，手掌变形”和“菊花开放与闭合”在内的静态变形及“尺蠖爬行”的动态运动。本发明所制备的仿生智能柔性驱动器应用范围广泛、响应速率高、制备成本低、运动形式多样且高效，为设计和制备兼具响应速率及变形能力的柔性驱动器提供了行之有效的新思路。

Description

一种仿生智能柔性驱动器的制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种仿生智能柔性驱动器的制备方法。

技术背景

与具有复杂机械结构的传统驱动器相比，柔性驱动器凭借着柔性材料在诸如温度、光、电流等条件下的智能响应，可以通过简单的结构实现复杂的、智能的机械变形，实现包括游泳，跳跃，捕捉和爬行在内的诸多仿生运动。这使得柔性驱动器成为设计和制造柔性机器人、人工肌肉的理想材料。作为应用最广泛的柔性材料之一，近红外激光驱动的水凝胶由于较高的生物相容性、智能吸水性和非接触式控制的优点，已广泛应用于医药科学、软电子学等领域。然而，由于交联方式和分层结构的限制，目前的近红外光驱动的水凝胶柔性驱动器呈现出对外界刺激响应缓慢的缺点。无法形成快速的连续的溶胀/消溶胀过程导致水凝胶柔性驱动器不能实现连续的运动或者运动缓慢，这极大的限制了其广泛应用。为解决该问题，国内外研究学者进行了大量的研究，主要集中在(1)改变水凝胶材料组分，调节水凝胶微观孔结构的尺寸，从而实现溶胀/消溶胀速率的调节；(2)改变柔性驱动器的分层结构，利用各层结构间对刺激响应的各向异性实现变形运动；(3)改变光驱动柔性驱动器的光热转化材料，使用诸如金纳米颗粒、聚吡咯等，提高光热转化效率以达到提高柔性驱动器运动效率的目的。以上研究虽然取得了一定的效果，但仍存在着诸多不足之处：(1)单纯从材料组分角度进行优化，对微观孔结构尺寸产生的影响有限，不足以在数量级上改变柔性驱动器的响应速率；(2)分层结构虽然能实现柔性驱动器的变形，但仅能实现较为简单的弯曲变形，无法有效的实现惟妙惟肖的仿生运动，应用范围有限；(3)选用诸如聚吡咯等光热转化剂虽然能在一定程度上改变柔性驱动器的光热转化效率，提高响应速率，但聚吡咯制备过程复杂，合成成本较高，不适合大规模应用。因此，如何制备响应速率快、成本低、运动效率高、运动形式多样、运动形态更接近自然界生物真实运动形态的仿生智能柔性驱动器亟待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是从材料合成角度出发，通过水热合成法制备出一种自我形成的，具有梯度孔结构的水凝胶。采用成本较低的氧化石墨烯作光热转化剂，突破传统的光热转化形式，创新的采用“整体浸渗”和“局部浸渗”形式，解决柔性驱动器的可控变形问题，并结合相应的仿生结构设计，实现真正的仿生运动。

本发明通过“整体浸渗”和“局部浸渗”氧化石墨烯的方式实现了具有梯度孔结构水凝胶的近红外光刺激下的可控、高效率变形及运动。结合仿生结构设计，实现了柔性驱动器一系列的仿生运动。本发明实现了一种制备方法简便高效、运动速率高、运动形式多样的仿生智能柔性驱动器制备方法，突破传统柔性驱动器运动速率低，运动形式单一的缺点，为医药科学、柔性机器人、人工肌肉等领域内，柔性驱动器的设计与开发提供一种行之有效的新方法。

本发明的制备方法：

以具有高响应速率的温敏型水凝胶为柔性驱动器的材料基础，通过水热合成反应，制备出厚度方向微观孔结构呈梯度渐变形式的水凝胶。通过氧化石墨烯的“整体浸渗”和“局部浸渗”并结合相应的仿生结构设计，制备出一系列具有静态变形和动态运动的仿生智能柔性驱动器，具体过程如下：

1、以N-异丙基丙烯酰胺为单体，4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂，过硫酸铵作引发剂，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源。单体质量为1g～2g；交联剂体积为200μL～400μL；过硫酸铵的质量为10mg～20mg。单体、交联剂、引发剂的浓度分别满足1～1.2g/mL、200～210μL/mL和1～1.5mg/mL。氧化石墨烯水溶液的浓度为4mg/mL～5mg/mL。

2、按照1中所述的配料比称取原始材料，在冰水浴条件下，首先将单体和引发剂加入蒸馏水中，并在磁力搅拌器的搅拌作用下充分溶解之后加入交联剂。随后搅拌5min～6min，过滤之后，置入反应釜中，在190℃～200℃条件下反应5～6h。最后，待反应釜冷却之后，取出高响应速率温敏型水凝胶。

3、整体浸渗：将2中制备出的高响应速率温敏型水凝胶在充分溶胀之后切成一定的尺寸。用滤纸将水凝胶块中的水分充分吸收干净。将除干水分之后的水凝胶块整体浸入氧化石墨烯水溶液中5min～6min。取出之后，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒。完成整体浸渗法制备仿生智能柔性驱动器。

4、局部浸渗：将2中制备出的高响应速率温敏型水凝胶在充分溶胀之后切成一定的尺寸。用滤纸将水凝胶块中的水分充分吸收干净。用1mL注射器吸入适量的氧化石墨烯水溶液，在除干水分之后的水凝胶块的预设位置，滴上数滴氧化石墨烯水溶液，最后，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒。完成局部浸渗法制备仿生智能柔性驱动器。

本发明的有益效果：

1、本发明通过水热合成法制备出了一种孔径大小在厚度方向呈梯度渐变形式的水凝胶。该型水凝胶属于无人为干预的分层形式，改变了传统水凝胶依靠分层结构的各向异性进行变形的模式，且响应速率高，具有快速的溶胀/消溶胀特点。

2、本发明通过的“整体浸渗”和“局部浸渗”法，实现了氧化石墨烯在水凝胶基体中的可控分布。利用仅含有氧化石墨烯部位会对近红外激光产生响应的原理，实现了对水凝胶的特定部位进行近红外激光响应性变形的设计，成功的将仿生设计转化为仿生制备。浸渗过程简单高效，浸渗之后，氧化石墨烯与水凝胶基体存在牢固的结合。变形过程可逆、可重复。

结合仿生结构设计，浸渗之后的水凝胶材料可以制备成各种结构形状的水凝胶驱动器，不但实现了诸如：“折纸盒”、“手指，手掌变形”、“菊花开放与闭合”的静态变形，还实现了“尺蠖爬行”动态运动，而且能够真实贴近自然界中生物的运动形式，实现真正的仿生效应。本发明所制备的仿生智能柔性驱动器应用范围广泛、响应速率高、制备成本低、运动形式多样且高效。既可以用于小型驱动器零部件的应用，也可以用于大型驱动器零部件的应用。

附图说明

图1是“整体浸渗”和“局部浸渗”法的过程示意图片。

图2.是“局部浸渗”法制备的“纸盒”折叠过程示意图及实物图片。

图3是“局部浸渗”法制备的仿生水凝胶手掌的手指、手掌变形过程图片。

图4是“整体浸渗”法制备的模拟菊花闭合与开放的过程图片。

图5是“整体浸渗”法制备的仿生尺蠖运动过程图片。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1和图2所示，“局部浸渗”法制备“纸盒”型仿生智能柔性驱动器：

选取N-异丙基丙烯酰胺为单体，4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂，过硫酸铵作引发剂，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源。单体质量为1g～2g；交联剂体积为200μL～400μL；过硫酸铵的质量为10mg～20mg，氧化石墨烯水溶液的浓度为4mg/mL～5mg/mL，在冰水浴条件下，首先将单体和引发剂加入蒸馏水中，并在磁力搅拌器的搅拌作用下充分溶解之后加入交联剂，随后搅拌5min～6min，过滤之后，置入反应釜中，在190℃～200℃条件下反应5～6h，将制备出的水凝胶切成十字形，用滤纸将水凝胶块中的水分充分吸收干净，按照如图1所示的“局部浸渗”法的过程，用1mL注射器吸入适量的氧化石墨烯水溶液，并将其滴在如图2(a-1)-(a-5)中黑色部位所示的位置，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒，至此，通过局部浸渗完成了“纸盒”型仿生智能柔性驱动器的制备，在近红外激光的控制下，该型驱动器可以从二维平面状态，自我组装成三维立体状态，整个过程智能、可控。

实施例2：

请参阅图1和图3所示，通过“局部浸渗”法制备“手掌”型仿生智能柔性驱动器

选取N-异丙基丙烯酰胺为单体，4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂，过硫酸铵作引发剂，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源。单体质量为1g～2g；交联剂体积为200μL～400μL；过硫酸铵的质量为10mg～20mg，氧化石墨烯水溶液的浓度为4mg/mL～5mg/mL，在冰水浴条件下，首先将单体和引发剂加入蒸馏水中，并在磁力搅拌器的搅拌作用下充分溶解之后加入交联剂，随后搅拌5min～6min，过滤之后，置入反应釜中，在190℃～200℃条件下反应5～6h，将制备出的水凝胶切成手掌的形状，用滤纸将水凝胶块中的水分充分吸收干净，用1mL注射器吸入适量的氧化石墨烯水溶液，并将其滴在如图3中黑色部位所示的位置，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒，至此，通过“局部浸渗”完成了“手掌”型仿生智能柔性驱动器的制备。在近红外激光的控制下，该型驱动器可以实现从“大拇指”到“小拇指”的单个手指运动，还能实现“手指”“手掌”相互配合的组合运动，实现“OK”、“V”和“握拳”变形。该驱动器的变形过程可控，可逆，可重复。

实施例3：

请参阅图1和图4所示，通过“整体浸渗”法制备“菊花”型仿生智能柔性驱动器

选取N-异丙基丙烯酰胺为单体，4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂，过硫酸铵作引发剂，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源。单体质量为1g～2g；交联剂体积为200μL～400μL；过硫酸铵的质量为10mg～20mg，氧化石墨烯水溶液的浓度为4mg/mL～5mg/mL，在冰水浴条件下，首先将单体和引发剂加入蒸馏水中，并在磁力搅拌器的搅拌作用下充分溶解之后加入交联剂，随后搅拌5min～6min，过滤之后，置入反应釜中，在190℃～200℃条件下反应5～6h，将制备出的水凝胶片用滤纸将水分充分吸收干净，按照如图1所示的“整体浸渗”过程，放入含有氧化石墨烯水溶液的试管中。将三片水凝胶材料切成菊花花瓣的形状并进行组合，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒，至此，通过“整体浸渗”完成了“菊花”型仿生智能柔性驱动器的制备，如图4所示，在近红外激光的控制下，该型驱动器可以实现模仿自然界菊花花瓣闭合与开放的过程，该变形过程具备可控、可逆、可重复的特性。

实施例4：

请参阅图1和图5所示，通过“整体浸渗”法制备“尺蠖”型仿生智能柔性驱动器

选取N-异丙基丙烯酰胺为单体，4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂，过硫酸铵作引发剂，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源。单体质量为1g～2g；交联剂体积为200μL～400μL；过硫酸铵的质量为10mg～20mg。氧化石墨烯水溶液的浓度为4mg/mL～5mg/mL。在冰水浴条件下，首先将单体和引发剂加入蒸馏水中，并在磁力搅拌器的搅拌作用下充分溶解之后加入交联剂，随后搅拌5min～6min，过滤之后，置入反应釜中，在190℃～200℃条件下反应5～6h，将制备出的水凝胶块用滤纸将水分充分吸收干净，按照“整体浸渗”过程，放入含有氧化石墨烯水溶液的试管中，将水凝胶块切成楔形并在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒，至此，通过“整体浸渗”完成了“尺蠖”型仿生智能柔性驱动器的制备，如图5所示，在近红外激光的控制下，该型驱动器可以实现模仿自然界尺蠖的过程，实现可逆、可重复的动态爬行。

Claims (2)

1.一种仿生智能柔性驱动器的制备方法，其特征在于，通过水热合成反应，制备出厚度方向微观孔结构呈梯度渐变形式的，具有快速的溶胀/消溶胀特性的温敏型水凝胶，通过氧化石墨烯的“整体浸渗”和“局部浸渗”并结合相应的仿生结构设计，制备出一系列具有快速响应性、静态变形、动态运动的仿生智能柔性驱动器；

具体制备步骤如下：

一、以N-异丙基丙烯酰胺为单体，4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂，过硫酸铵作引发剂，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源，单体质量为1g～2g；交联剂体积为200μL～400μL；过硫酸铵的质量为10mg～20mg，单体、交联剂、引发剂的浓度分别满足1～1.2g/mL、200～210μL/mL和1～1.5mg/mL，氧化石墨烯水溶液的浓度为4mg/mL～5mg/mL；

二、按照步骤一中所述的配料比称取原始材料，在冰水浴条件下，首先将单体和引发剂加入蒸馏水中，并在磁力搅拌器的搅拌作用下充分溶解之后加入交联剂，随后搅拌5min～6min，过滤之后，置入反应釜中，在190℃～200℃条件下反应5～6h，最后，待反应釜冷却之后，取出高响应速率温敏型水凝胶；

三、整体浸渗：将步骤二中制备出的高响应速率温敏型水凝胶在充分溶胀之后切成一定的尺寸，用滤纸将水凝胶块中的水分充分吸收干净，将除干水分之后的水凝胶块整体浸入氧化石墨烯水溶液中5min～6min，取出之后，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒，完成整体浸渗法制备仿生智能柔性驱动器；

四、局部浸渗：将步骤二中制备出的高响应速率温敏型水凝胶在充分溶胀之后切成一定的尺寸，用滤纸将水凝胶块中的水分充分吸收干净，用1mL注射器吸入适量的氧化石墨烯水溶液，在除干水分之后的水凝胶块的预设位置，滴上数滴氧化石墨烯水溶液，最后，在清水中清洗数次，洗掉水凝胶块表面未被吸附的氧化石墨烯颗粒，完成局部浸渗法制备仿生智能柔性驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种仿生智能柔性驱动器的制备方法，其特征在于，所述仿生智能柔性驱动器可实现“折纸盒”、“手指，手掌变形”、“菊花开放与闭合”、“尺蠖爬行”变形。

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