CN112921461B - 可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法 - Google Patents

可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将一拉丝件***双网络水凝胶中，拔出拉丝件以使该拉丝件从双网络水凝胶中拉出丝状双网络水凝胶，得到水凝胶细丝，使水凝胶细丝静置；将多壁碳纳米管薄膜围在水凝胶细丝外，滴加黏附液体，以使多壁碳纳米管薄膜黏附在水凝胶细丝的表面上，得到碳纳米管水凝胶复合纤维；旋转碳纳米管水凝胶复合纤维的一端，得到双螺旋纤维状人工肌肉。本发明双螺旋纤维状人工肌肉是一种新型柔性致动器，暴露在流速为42.8mg/s的水雾环境中24s，可以产生扭转运动，其扭转角度为1455°/mm，最大旋转速度为3178rpm，撤去水雾后75s，双螺旋纤维状人工肌肉回复到原始状态。

Description

可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法
技术领域
本发明属于纤维状人工肌肉技术领域，具体来说涉及一种可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法。
背景技术
人造肌肉是指通过外部的刺激(例如：电压，电流，压力，温度，光)可以发生可逆的收缩、扩展和旋转的一类材料与器件。近些年，纤维型人造肌肉引起人们特别关注，尽管外表很简单，却可以允许非常复杂的驱动行为：大角度的旋转致动和很大的伸缩驱动。同时，纤维具有很好的柔韧性和高各向异性。各种不同的材料被广泛应用于设计纤维型人造肌肉：聚合物、碳纳米管、石墨烯、聚合物/无机材料复合物以及一些天然纤维例如蚕丝和棉线等。能够产生旋转和伸缩致动的原因：
1、纤维产生与外界发生传质、热体积膨胀、变等行为而引起的纤维体积膨胀从而引起的致动；
2、分子的顺序改变引起的致动；
3、通过不同的力改变构成纤维的之间的距离引起的致动。
纤维型人工肌肉驱动性能优异并且具有广阔的应用前景，这让更多的学者参与到纤维型人工肌肉的研究中。近年来，各种新型的纤维型人工肌肉被开发出来应用到各个领域中。Foroughi等首先用碳纳米管纱线设计出可以在简单的三电极化学***中旋转的纤维状人工肌肉。科研人员通过简单地将碳纳米管纱线加捻，制作出比发丝更细的纤维状人造肌肉，将人造肌肉放入电解质溶液中，通电后，双层电荷进入到扭曲的碳纳米管纱线中，使其体积发生膨胀，纤维解捻，从而发生旋转和纵向长度收缩两种运动，断电时，人工肌肉回复到原始状态。Lima等人将碳纳米管纱线作为主体，石蜡作为客体渗透到扭曲的碳纳米管纱线中，制作出高功率、可进行数百万次循环的纤维状人工肌肉。这种人工肌肉避免了对电解质或一些特殊包装的需求。不同的材料所设计的纤维状人工肌肉可以应用在不同的刺激环境中，所以寻找新的材料和设计新的结构会使纤维状人工肌肉具有更广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双螺旋纤维状人工肌肉的制备方法。
本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的双螺旋纤维状人工肌肉。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种双螺旋纤维状人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将2～4质量份数的乙烯基三乙氧基硅烷加入30～45质量份数的去离子水中，搅拌11～13h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，在16～18体积份数的所述透明分散体溶液中加入11～13质量份数的丙烯酸和0.023～0.025质量份数的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30～40min，得到第一溶液；
在上述技术方案中，所述透明分散体溶液中透明分散体为0.067～0.068wt％。
在上述技术方案中，当所述质量份数的单位为g时，所述体积份数的单位为mL。
步骤2，在惰性气体或氮气环境下，将所述第一溶液于38～42℃反应30～35h，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一拉丝件***所述双网络水凝胶中，拔出拉丝件以使该拉丝件从双网络水凝胶中拉出丝状双网络水凝胶，得到水凝胶细丝，使所述水凝胶细丝静置30～100s；
在所述步骤3中，所述拉丝件为一棒体。
在所述步骤3中，所述水凝胶细丝的长度为30～35cm。
步骤4，将多壁碳纳米管薄膜围在所述水凝胶细丝外，滴加黏附液体，以使所述多壁碳纳米管薄膜黏附在所述水凝胶细丝的表面上，得到碳纳米管水凝胶复合纤维；
在所述步骤4中，将多壁碳纳米管薄膜围在所述水凝胶细丝外时，将所述水凝胶细丝的两端分别固定。
在所述步骤4中，所述黏附液体为乙醇。
在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜为从多壁碳纳米管阵列上拉出的薄膜。
在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜的宽度为5～6mm。
在所述步骤4中，所述碳纳米管水凝胶复合纤维的直径为30～35μm。
在上述技术方案中，将多壁碳纳米管薄膜沿圆柱螺旋线方向缠绕在所述水凝胶细丝外，所述圆柱螺旋线方向的螺旋角为10～85°。
在上述技术方案中，使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在所述水凝胶细丝外。
步骤5，旋转所述碳纳米管水凝胶复合纤维的一端，用于对所述碳纳米管水凝胶复合纤维加捻，得到扭曲复合纤维，其中，所述扭曲复合纤维的加捻密度为7000～8000转/米；
步骤6，以位于所述扭曲复合纤维中点两侧的扭曲复合纤维各为一段缠绕段，将2段缠绕段捻合，得到双螺旋纤维状人工肌肉，其中，所述缠绕段的捻合方向与所述碳纳米管水凝胶复合纤维的加捻方向相反。
在所述步骤6中，将2段缠绕段捻合的实现方法为：将所述扭曲复合纤维水平设置，在所述扭曲复合纤维的中点负重一质量为29～31g的重物，再将2段所述缠绕段相互靠近至贴合，直至2段所述缠绕段自动地捻合在一起。
在上述技术方案中，所述制备方法的操作环境为：温度20～25℃，相对湿度为20～30％。
上述制备方法获得的双螺旋纤维状人工肌肉。
本发明的有益效果：
1.本发明双螺旋纤维状人工肌肉是一种新型柔性致动器，暴露在流速为42.8mg/s的水雾环境中可以产生扭转运动，其扭转角度为1455°/mm，最大旋转速度为3178rpm，撤去水雾后，双螺旋纤维状人工肌肉回复到原始状态。
2.本发明用多壁碳纳米管薄膜作为保护壳包裹水凝胶细丝制成碳纳米管水凝胶复合纤维，双网络水凝胶吸水过多时机械性能降低，多壁碳纳米管薄膜可以增加机械性能，防止水凝胶细丝因吸水过多而断裂。
3.本发明将多壁碳纳米管薄膜以不同方式包裹在水凝细丝外，可以调控人工肌肉的致动性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中多壁碳纳米管薄膜围在水凝胶细丝外的方式；
图2为本发明实施例2中多壁碳纳米管薄膜围在水凝胶细丝外的方式(α为螺旋角)；
图3a为水凝胶细丝和碳纳米管水凝胶复合纤维吸水前照片；
图3b为水凝胶细丝和碳纳米管水凝胶复合纤维吸水后照片；
图4a为双螺旋纤维状人工肌肉吸水前SEM；
图4b为双螺旋纤维状人工肌肉吸水后SEM；
图5为实施例1所得双螺旋纤维状人工肌肉的最大扭转角度和最大旋转速度随着时间的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
表1实施例中所涉及药品的来源
Figure BDA0002305059250000041
表2实施例中所涉及仪器的型号
Figure BDA0002305059250000042
下述制备方法的操作环境为：温度20～25℃，相对湿度为20％。
多壁碳纳米管薄膜从碳纳米管阵列上拉出的薄膜，多壁碳纳米管薄膜的宽度为5mm。
实施例1
一种双螺旋纤维状人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将3.8g的乙烯基三乙氧基硅烷加入30g的去离子水中，剧烈搅拌12h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，透明分散体溶液中透明分散体为0.067wt％。在18mL透明分散体溶液中加入12g的丙烯酸和0.024g的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30min，得到第一溶液；
步骤2，将第一溶液倒入离心管，向离心管中通入氩气，以充分排出离心管内的空气，迅速密封离心管，将第一溶液在40±2℃的油浴中反应30h，反应过程中进行自由基聚合，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一圆柱体形细铁棒***双网络水凝胶中，迅速拔出圆柱体形细铁棒，该圆柱体形细铁棒从双网络水凝胶中拉出长度为30cm的丝状双网络水凝胶，即得到水凝胶细丝，使水凝胶细丝静置100s；
步骤4，将水凝胶细丝的两端分别固定，可以通过一方形框架固定，固定时将水凝胶细丝的两端分别与方形框架的2个相对的边连接。使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在水凝胶细丝外，如图1所示。滴加乙醇，以使多壁碳纳米管薄膜黏附在水凝胶细丝的表面上，得到直径为35μm的碳纳米管水凝胶复合纤维；
步骤5，将碳纳米管水凝胶复合纤维的一端与一电机输出轴连接，另一端固定并作为固定端，启动电机，用于对碳纳米管水凝胶复合纤维加捻，得到扭曲复合纤维，其中，扭曲复合纤维的加捻密度为8000转/米，在加捻过程中，碳纳米管水凝胶复合纤维的长度不断缩短，需要手动调整碳纳米管水凝胶复合纤维的固定端与电机输出轴之间的距离，防止碳纳米管水凝胶复合纤维被拉断。
步骤6，以位于扭曲复合纤维中点两侧的扭曲复合纤维各为一段缠绕段，将2段缠绕段捻合，得到双螺旋纤维状人工肌肉，其中，缠绕段的捻合方向与碳纳米管水凝胶复合纤维的加捻方向相反。将2段缠绕段捻合的实现方法为：将扭曲复合纤维水平悬空设置，在扭曲复合纤维的中点负重一质量为30g的重物，再将2段缠绕段相互靠近至贴合，此时，2段缠绕段自动地捻合在一起。
实施例2～5
一种双螺旋纤维状人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将3.8g的乙烯基三乙氧基硅烷加入30g的去离子水中，剧烈搅拌12h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，透明分散体溶液中透明分散体为0.067wt％。在18mL透明分散体溶液中加入12g的丙烯酸和0.024g的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30min，得到第一溶液；
步骤2，将第一溶液倒入离心管，向离心管中通入氩气，以充分排出离心管内的空气，迅速密封离心管，将第一溶液在40±2℃的油浴中反应30h，反应过程中进行自由基聚合，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一圆柱体形细铁棒***双网络水凝胶中，迅速拔出圆柱体形细铁棒，该圆柱体形细铁棒从双网络水凝胶中拉出长度为30cm的丝状双网络水凝胶，即得到水凝胶细丝，使水凝胶细丝静置100s；
步骤4，将水凝胶细丝的两端分别固定，可以通过一方形框架固定，固定时将水凝胶细丝的两端分别与方形框架的2个相对的边连接。将多壁碳纳米管薄膜沿圆柱螺旋线方向缠绕在水凝胶细丝外，如图2所示，圆柱螺旋线方向的螺旋角见表3。滴加乙醇，以使多壁碳纳米管薄膜黏附在水凝胶细丝的表面上，得到直径为35μm的碳纳米管水凝胶复合纤维；
步骤5，将碳纳米管水凝胶复合纤维的一端与一电机输出轴连接，另一端固定并作为固定端，启动电机，用于对碳纳米管水凝胶复合纤维加捻，得到扭曲复合纤维，其中，扭曲复合纤维的加捻密度为8000转/米，在加捻过程中，碳纳米管水凝胶复合纤维的长度不断缩短，需要手动调整碳纳米管水凝胶复合纤维的固定端与电机输出轴之间的距离，防止碳纳米管水凝胶复合纤维被拉断。
步骤6，以位于扭曲复合纤维中点两侧的扭曲复合纤维各为一段缠绕段，将2段缠绕段捻合，得到双螺旋纤维状人工肌肉，其中，缠绕段的捻合方向与碳纳米管水凝胶复合纤维的加捻方向相反。将2段缠绕段捻合的实现方法为：将扭曲复合纤维水平悬空设置，在扭曲复合纤维的中点负重一质量为30g的重物，再将2段缠绕段相互靠近至贴合，此时，2段缠绕段自动地捻合在一起。
表3
Figure BDA0002305059250000061
Figure BDA0002305059250000071
将实施例1～5所得双螺旋纤维状人工肌肉剪裁至6cm进行下述测试。
将双螺旋纤维状人工肌肉暴露在水雾中，用高速摄像机记录，然后用计算机软件逐帧进行数据分析，获得双螺旋纤维状人工肌肉的拉伸行程、最大扭转角度和最大扭转角度。具体操作如下：
将实施1～5所得双螺旋纤维状人工肌肉暴露在流速为42.8mg/s的水雾中，双螺旋纤维状人工肌肉均立即开始发生自转的扭转运动(旋转)，实施例1所得双螺旋纤维状人工肌肉的长度缩短，实施例2～5所得双螺旋纤维状人工肌肉的长度伸长，双螺旋纤维状人工肌肉的拉伸行程如表4所示。双螺旋纤维状人工肌肉在水雾中暴露24s，撤去水雾，撤去水雾后的第75s，随着相对湿度回归到环境条件(相对湿度20％)，实施1～5所得双螺旋纤维状人工肌肉完全地恢复到初始状态。一个周期时间为100s，其中，在一个周期中，将双螺旋纤维状人工肌肉暴露在水雾中25s，第26s开始撤去水雾，直至整个周期结束，实施例1所得双螺旋纤维状人工肌肉的扭转角度和旋转速度随着时间的变化如图5所示，由图可知，在一个周期中最大扭转角度为1455°/mm，最大旋转速度为3178rpm。双螺旋纤维状人工肌肉的扭转角度随着在水雾中暴露的时间增加而逐渐增大，在10s时达到最大的扭转角度1455°/mm，但是并不能保持稳定，产生往相反的方向旋转少量角度的现象；双螺旋纤维状人工肌肉的旋转速度会随着水雾驱动的时间增加迅速增大，在8s时达到最大值3178rpm后迅速下降，直至双螺旋纤维状人工肌肉不发生旋转速度降为0。撤去水雾后，双螺旋纤维状人工肌肉的扭转角度随着撤去水雾的时间增加逐渐下降，回复到原始状态，回复时旋转速度先增加后减小，不能达到在水雾驱动下的最大值。
在双螺旋纤维状人工肌肉发生自转的扭转运动过程中，双螺旋纤维状人工肌肉的最大扭转角度和最大旋转速度如表4所示。
拉伸行程、最大扭转角度和最大扭转角度的测试过程如下：
拉伸行程(％)：双螺旋纤维状人工肌肉的原长为l0，双螺旋纤维状人工肌肉在加湿器产生的水雾中驱动后的长度为l，“驱动后”的定义为双螺旋纤维状人工肌肉停止旋转且长度不再发生变化，拉伸行程：
拉伸行程(％)＝(l–l0)/l0×100％
旋转圈数：通过高速摄像机获得双螺旋纤维状人工肌肉旋转的圈数。
扭转角度(°/mm)＝旋转圈数×360°/l
最大扭转角度为扭转角度的最大值。
最大旋转速度：通过高速摄像机获得双螺旋纤维状人工肌肉旋转速度最大的一帧作为Di，将Di前一帧定义为Di-1，Di相比于Di-1旋转的圈数为D△。
最大旋转速度(r.p.m)＝D△×高速摄像机一秒内的帧数×60
表4
Figure BDA0002305059250000081
将实施例5所得双螺旋纤维状人工肌肉紧密贴合在扫描电镜的样品台上进行测试。测试后将双螺旋纤维状人工肌肉取下，用流速为42.8mg/s的水雾驱动30s，再次将双螺旋纤维状人工肌肉紧密贴合在样品台上，并扫描与之前相同位置。水雾驱动前的扫描电镜图如图4a所示，经过水雾30s后的扫描电镜图如图4b所示。
对比例
取3cm实施例1步骤3所得水凝胶细丝以及3cm步骤4所得碳纳米管水凝胶复合纤维进行对比，将水凝胶细丝和碳纳米管水凝胶复合纤维放置于1个培养皿的2个隔断中，如图3a所示，隔断之间不互相连通，于室温在相对湿度20％RH的开放环境中。在2个隔断中分别加入去离子水，发现水凝胶细丝由于没有多壁碳纳米管薄膜的保护因吸水过多而断裂，而碳纳米管水凝胶复合纤维并未断裂，如图3b所示。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双螺旋纤维状人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将2～6质量份数的乙烯基三乙氧基硅烷加入30～45质量份数的去离子水中，搅拌11～15h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，在15～20体积份数的所述透明分散体溶液中加入11～15质量份数的丙烯酸和0.02～0.03质量份数的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30～60min，得到第一溶液；
步骤2，在惰性气体或氮气环境下，将所述第一溶液于35～45℃反应30～35h，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一拉丝件***所述双网络水凝胶中，拔出拉丝件以使该拉丝件从双网络水凝胶中拉出丝状双网络水凝胶，得到水凝胶细丝，使所述水凝胶细丝静置30～100s；
步骤4，将多壁碳纳米管薄膜围在所述水凝胶细丝外，滴加黏附液体，以使所述多壁碳纳米管薄膜黏附在所述水凝胶细丝的表面上，得到碳纳米管水凝胶复合纤维；
步骤5，旋转所述碳纳米管水凝胶复合纤维的一端，用于对所述碳纳米管水凝胶复合纤维加捻，得到扭曲复合纤维，其中，所述扭曲复合纤维的加捻密度为7000～8000转/米；
步骤6，以位于所述扭曲复合纤维中点两侧的扭曲复合纤维各为一段缠绕段，将2段缠绕段捻合，得到双螺旋纤维状人工肌肉，其中，所述缠绕段的捻合方向与所述碳纳米管水凝胶复合纤维的加捻方向相反。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将多壁碳纳米管薄膜沿圆柱螺旋线方向缠绕在所述水凝胶细丝外，所述圆柱螺旋线方向的螺旋角为10～85°。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在所述水凝胶细丝外。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述水凝胶细丝的长度为30～35cm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述黏附液体为乙醇；
在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜为从多壁碳纳米管阵列上拉出的薄膜；
在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜的宽度为5～6mm；
在所述步骤4中，所述碳纳米管水凝胶复合纤维的直径为30～35μm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤6中，将2段缠绕段捻合的实现方法为：将所述扭曲复合纤维水平设置，在所述扭曲复合纤维的中点负重一重物，再将2段所述缠绕段相互靠近至贴合，直至2段所述缠绕段自动地捻合在一起。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透明分散体溶液中透明分散体为0.06～0.07wt％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当所述质量份数的单位为g时，所述体积份数的单位为mL。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法的操作环境为：温度20～25℃，相对湿度为20～30％。
10.如权利要求1～9中任意一项所述制备方法获得的双螺旋纤维状人工肌肉。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114577870B (zh) * 2022-03-15 2024-05-28 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 电化学人工肌肉体系及电化学人工肌肉测试装置
CN114657761A (zh) * 2022-04-28 2022-06-24 广州大学 一种高性能蛋白质纤维人工肌肉致动器的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040106881A (ko) * 2003-06-12 2004-12-18 학교법인 한양학원 Ｐｖａ/ｐｄａｄｍａｃ을 주성분으로 하는 ｉｐｎ하이드로겔 및 이것의 응용
CN102418164A (zh) * 2011-11-16 2012-04-18 上海工程技术大学 一种抗静电聚砜酰胺/碳纳米管复合材料及其制备方法
CN104080962A (zh) * 2011-12-01 2014-10-01 康沃特克科技公司 包含形成凝胶的长丝或纤维的纱线
CN105155011A (zh) * 2015-07-21 2015-12-16 东华大学 一种连续微米级pegda水凝胶纤维的制备方法
CN106471167A (zh) * 2014-07-03 2017-03-01 东洋纺株式会社 高功能复丝
CN109476919A (zh) * 2016-08-03 2019-03-15 美国陶氏有机硅公司 弹性体组合物及其应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040106881A (ko) * 2003-06-12 2004-12-18 학교법인 한양학원 Ｐｖａ/ｐｄａｄｍａｃ을 주성분으로 하는 ｉｐｎ하이드로겔 및 이것의 응용
CN102418164A (zh) * 2011-11-16 2012-04-18 上海工程技术大学 一种抗静电聚砜酰胺/碳纳米管复合材料及其制备方法
CN104080962A (zh) * 2011-12-01 2014-10-01 康沃特克科技公司 包含形成凝胶的长丝或纤维的纱线
CN106471167A (zh) * 2014-07-03 2017-03-01 东洋纺株式会社 高功能复丝
CN105155011A (zh) * 2015-07-21 2015-12-16 东华大学 一种连续微米级pegda水凝胶纤维的制备方法
CN109476919A (zh) * 2016-08-03 2019-03-15 美国陶氏有机硅公司 弹性体组合物及其应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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一种新型液压人工肌肉的设计研究;王吉岱;《液压与气动》;20120930;第102-104页 *
水凝胶碳纳米管复合纤维人工肌肉的制备与驱动性能研究;由程炜;《硕士学位论文》;20210515;全文 *

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