CN113983840B - 一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺及智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，包括散热端盖、蒸发端外壳、微热管和回流管路；所述散热端盖与蒸发端外壳连接；所述散热端盖中心设有进液腔，所述散热端盖内部分布若干微热管，任意所述微热管一端与进液腔连通；所述蒸发端外壳为刚性结构；所述蒸发端外壳内部设有与进液腔连通的散热管道，所述散热管道内填充多孔介质，所述散热管道内多孔介质形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质的间隙中填充蒸发液；所述微热管另一端与散热管道通过回流管路连通。本发明本身自发性散热特点能够保持散热的稳定性，其本身刚性结构，方便种植，可以植入需要散热的物体内部，同时对内部散热结构加以保护，具有较柔性结构更强的稳定性。

Description

一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺及智能机器人

技术领域

本发明涉及生物仿真学领域或者人工皮肤领域，特别涉及一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺及智能机器人。

背景技术

人工皮肤(Artificial skin)主要有两大类，一种是合成皮肤(Synthetic skin)，一种是智能皮肤(Smart skin)。智能皮肤是人机交互和人工智能的重要研究领域，智能皮肤在医疗健康领域也有重要的作用。

现阶段，柔性传感器除电极外所有组件都是由柔性材料制造,由于皮肤的复杂性，很小的局部区域往往可以兼顾多种功能，尤其是实现感觉功能，感受冷、热、软、硬，所以近年来对电子皮肤的仿生思路是层叠皮肤，并在皮肤各层安装不同类型传感器。现有技术公开了一种复层式电子皮肤，第一层皮肤由第一水凝胶及多个第一传感器构成，第二层皮肤构成方式与第一层皮肤类似，且第一柔性半球状凸起压板的外部与第二层皮肤中的第二柔性半球状凸起压板的外部相互正对设置。上下层皮肤通过柔性半球状凸起压板相接触，接触面积很小，在受到外界刺激时，可以快速响应所以本方案提供的电子皮肤的灵敏度高。但是高温环境会影响电子元器件和设备的性能、使用寿命，传统的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法已经难以满足许多电子器件的散热要求。

Lee等利用纳米黏土和温敏水凝胶制作的仿生汗腺，不但实现了温度高时通过水蒸发冷却的功能，同时还实现了温度低时防止水蒸发的功能。但这种有着微表面结构的仿生汗腺仍然在稳定性、可植入、尤其是热传输效率方面仍存在缺陷。

康奈尔大学的Rob Shepherd及其研究团队研发了一种特殊材质的机器人手掌，该手掌能够以“分泌汗液”的方式，来控制机器内部的温度。但是这种以出汗为散热方式的仿生汗腺，本身具有一些缺陷，在汗液排出完成热交换的过程，会使外部壳体变得湿滑，降低人工汗腺应有的摩擦力，不利于抓握，可能会使手中的物体发生滑落，尽管更改上层的纹理可以在这方面有所缓解，但却会让表现变得褶皱。此外，目前这款机器人需要定期供水，以补充蒸发掉的水份。所以，以单纯排水出汗的散热方式因温度不同开口大小有变化而导致出水量大小不可控，所以散热的稳定性不可控。供水一次性排出，使用过程排出的水不可收集循环使用，还会改变外部手掌表面状态，使表面变得湿滑，不利于抓握的过程。

日本京都大学的研究人员在Kengoro机器人的冷却方式中，采用仿生汗腺的方式以开发更高效的冷却液输送***。Kengoro内部配有铝制框架，框架上分布着类似海绵似的缝隙和通道。这些通道可将水传送到机器人全身，并通过蒸发的形式实现热交换，以铝框架为基础的冷却***就像人类那样出汗。测试显示，这种出汗技术比传统冷却方式的效果好2倍。这种微表面结构是刚性结构，置于机器人内部，不利于机器人全身安装皮肤覆盖、蒸发液体散到空气，同样是不可收集循环使用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺及智能机器人，本身自发性散热特点能够保持散热的稳定性，其本身刚性结构，方便种植，可以植入需要散热的物体内部，同时对内部散热结构加以保护，具有较柔性结构更强的稳定性。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，包括散热端盖、蒸发端外壳、微热管和回流管路；

所述散热端盖与蒸发端外壳连接；所述散热端盖中心设有进液腔，所述散热端盖内部分布若干微热管，任意所述微热管一端与进液腔连通；所述蒸发端外壳为刚性结构；

所述蒸发端外壳内部设有与进液腔连通的散热管道，所述散热管道内填充多孔介质，所述散热管道内多孔介质形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质的间隙中填充蒸发液；所述微热管另一端与散热管道通过回流管路连通。

进一步，所述散热管道与进液腔之间设有滤网。

进一步，所述蒸发端外壳外壁设有螺纹，所述散热端盖顶部设有凹槽，所述蒸发端外壳和散热端盖为一体结构，呈螺钉型。

进一步，所述回流管路为螺旋管，所述螺旋管一端与微热管另一端连通，所述螺旋管另一端与散热管道底部连通。

进一步，所述蒸发端外壳为螺旋盘管，螺旋盘管壁面内均布若干螺旋的回流管路，所述螺旋的回流管路一端与微热管另一端连通，所述螺旋的回流管路另一端与散热管道底部连通。

进一步，所述多孔介质为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质形成的孔隙不大于40微米。

进一步，所述蒸发端外壳包括运输管和空心壳体，所述运输管一端与空心壳体连接，所述运输管另一端与散热端盖连接，所述空心壳体内通过中间滤网划分为第一区域和第二区域，所述第一区域与运输管连通，所述第一区域和运输管内填充第一多孔介质，所述第二区域内填充第二多孔介质，所述运输管和空心壳体内设有回流管路，所述微热管另一端与第二区域通过回流管路连通。

进一步，所述第一多孔介质为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述第一多孔介质形成的孔隙不大于40微米；所述第二多孔介质为固体颗粒；所述固体颗粒的直径随空心壳体直径的减少而减小。

进一步，所述第二区域内分割若干互不连通的同心扇环区域，若干扇形区域与其中心的第一区域连通；所述回流管路与扇环区域的大端连通。

一种智能机器人，包括所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，所述蒸发端外壳安装在智能机器人表面内部。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺及智能机器人，仿生汗腺为刚性，可以直接或者其他辅助手段安装在机器人外壳的上表面，下部的冷却蒸发端固定在其内部。相比较已有的汗腺柔性结构，本发明装置本身自发性散热特点能够保持散热的稳定性，其本身刚性结构，方便种植，可以植入需要散热的物体内部，同时对内部散热结构加以保护，具有较柔性结构更强的稳定性。

2.本发明所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，热交换方式采用蒸发回凝的可循环方式，位于汗腺装置上部分的散热上端盖起到放大散热面积的效果。上端盖的散热基于微热管的自蒸发冷却原理，使冷凝的液体单方向循环，再通过外壳体细管回流到装置底部的蒸发端，完成封闭循环。内封闭循环的结构可以有效的重复利用蒸发液，保证经济和可持续性，同时不会有液体泄露导致被散热物体的表面湿滑，即不改变被散热物体的表面物理状态。

3.本发明所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，通过内填充多孔介质，多孔介质形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小，多孔介质本身具有浸润性，可以有效吸合蒸发液，从而达到固液平衡，改变内部液体的流动性。内部填充多孔介质可以起到自发将吸收的液体沿蒸发端到冷凝端的方向运输。本发明的使用场所避免了体内散热的方式，真正做到了内外热交换的方式。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺结构示意图。

图2为本发明实施例2所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺结构示意图。

图3为图2的B-B剖视图。

图4为本发明实施例3所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺结构示意图。

图5为图4的A-A剖视图。

图中：

1-滤网；2-第一多孔介质；3-顶部散热端盖；4-回流管路；5-微热管；6-第二多孔介质；7-蒸发端外壳；8-运输管；9-中间滤网；10-进液腔；7-1-第一区域；7-2-第二区域。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1为本发明所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺实施例1，包括散热端盖3、蒸发端外壳7、微热管5和回流管路4；所述散热端盖3与蒸发端外壳7连接；所述散热端盖3中心设有进液腔10，所述散热端盖3内部分布若干微热管5，任意所述微热管5一端与进液腔10连通；所述蒸发端外壳7为刚性结构；所述蒸发端外壳7内部设有与进液腔10连通的散热管道，所述散热管道内填充第一多孔介质2，所述散热管道内第一多孔介质2形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述第一多孔介质2的间隙中填充蒸发液；所述第一多孔介质2为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述第一多孔介质2形成的孔隙不大于40微米。所述微热管5另一端与散热管道通过回流管路4连通。为了方便仿生汗腺安装在智能机器人表面，所述蒸发端外壳7外壁设有螺纹，所述散热端盖3顶部设有凹槽，所述蒸发端外壳7和散热端盖3为一体结构，呈螺钉型。所述散热端盖3的截面为扇形。散热端盖3内部包含有6个均布的微热管5，所述回流管路4为螺旋管，回流管路4位于蒸发端外壳7的壁内，所述回流管路4可以理解为回流孔。所述螺旋管一端与微热管5另一端连通，所述螺旋管另一端与散热管道底部连通，起到回流作用，方便蒸发液循环使用。所述散热管道与进液腔10之间设有滤网1，用于过滤蒸发液。

如图2和图3为本发明所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺实施例2，与实施例1的区别在于，所述散热端盖3和蒸发端外壳7通过螺纹连接，所述蒸发端外壳7为螺旋盘管，螺旋盘管壁面内均布若干螺旋的回流管路4，所述螺旋的回流管路4一端与微热管5另一端连通，所述螺旋的回流管路4另一端与散热管道底部连通。螺旋盘管末端逐渐变为尖锐的结构，能够更好的在坚固物体表面起到固定的作用。

如图4和图5为本发明所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺实施例3，包括散热端盖3、蒸发端外壳7、微热管5和回流管路4；所述散热端盖3与蒸发端外壳7连接；散热端盖3为扁平的圆柱体结构，所述散热端盖3中心设有进液腔10，所述散热端盖3内部分布若干微热管5，任意所述微热管5一端与进液腔10连通；微热管5和散热端盖3共同组成冷凝端，气态蒸发液从进液腔10进入微热管5，完成冷凝过程。所述蒸发端外壳7为刚性结构；所述蒸发端外壳7包括运输管8和空心壳体，所述运输管8一端与空心壳体螺纹连接，所述运输管8另一端与散热端盖3螺纹连接，所述运输管8内腔和空心壳体内腔为散热管道，所述空心壳体内通过中间滤网9划分为第一区域7-1和第二区域7-2，所述第一区域7-1与运输管8连通，所述第一区域7-1和运输管8内填充第一多孔介质2，所述第二区域7-2内填充第二多孔介质6，所述运输管8和空心壳体内设有回流管路4，所述微热管5另一端与第二区域7-2通过回流管路4连通。中间滤网9为圆柱体网状结构，中间滤网9的孔隙为小于第一多孔介质和/或第二多孔介质填充颗粒直径，用于固定填充颗粒。所述第一多孔介质2为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述第一多孔介质2形成的孔隙不大于40微米；所述第二多孔介质2为固体颗粒；所述固体颗粒的直径随空心壳体直径的减少而减小。多孔介质本身具有浸润性，可以有效吸合蒸发液，从而达到固液平衡，改变内部液体的流动性。采用多孔介质材料可以起到自发将吸收的液体沿蒸发端到冷凝端的方向运输，将液体传递到顶部滤网1，然后以蒸汽的形式完成热交换。

所述第二多孔介质2为陶瓷颗粒，靠近空心壳体壁面的颗粒直径大于靠近中间滤网9的颗粒直径从而降低孔隙间距，直径的差异可以形成流动梯度，促进热交换。所述第二区域7-2内通过隔热板分割若干互不连通的同心扇环区域，若干扇形区域与其中心的第一区域7-2连通；所述回流管路4与扇环区域的大端连通。若干扇形区域相较于采用一个整体的第二区域7-2的优点在于，当空心壳体蒸发端的某个方位热源产生的局部热量时，热量可以比较集中的从第二多孔介质传递到第一区域7-1的第一多孔介质的传热区域而不是向周边的第二多孔介质去扩散，从而提高传热效率。所述回流管路4与扇环区域的大端连通，扇环区域的大端为靠近空心壳体壁面的位置。蒸发液气体经过回流管4冷凝后回流到第二多孔介质6中。每个扇环区域均连接至少一个回流管4。

一种智能机器人，包括所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，所述蒸发端外壳7安装在智能机器人表面内部，用于降温机器人表面温度。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，包括散热端盖（3）、蒸发端外壳（7）、微热管（5）和回流管路（4）；

所述散热端盖（3）与蒸发端外壳（7）连接；所述散热端盖（3）中心设有进液腔（10），所述散热端盖（3）内部分布若干微热管（5），任意所述微热管（5）一端与进液腔（10）连通；所述蒸发端外壳（7）为刚性结构；

所述蒸发端外壳（7）内部设有与进液腔（10）连通的散热管道，所述散热管道内填充多孔介质（2、6），所述散热管道内多孔介质（2、6）形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质（2、6）的间隙中填充蒸发液；所述微热管（5）另一端与散热管道通过回流管路（4）连通。

2.根据权利要求1所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述散热管道与进液腔（10）之间设有滤网（1）。

3.根据权利要求1所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述蒸发端外壳（7）外壁设有螺纹，所述散热端盖（3）顶部设有凹槽，所述蒸发端外壳（7）和散热端盖（3）为一体结构，呈螺钉型。

4.根据权利要求3所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述回流管路（4）为螺旋管，所述螺旋管一端与微热管（5）另一端连通，所述螺旋管另一端与散热管道底部连通。

5.根据权利要求1所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述蒸发端外壳（7）为螺旋盘管，螺旋盘管壁面内均布若干螺旋的回流管路（4），所述螺旋的回流管路（4）一端与微热管（5）另一端连通，所述螺旋的回流管路（4）另一端与散热管道底部连通。

6.根据权利要求1-5任一项所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述多孔介质（2、6）为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质（2、6）形成的孔隙不大于40微米。

7.根据权利要求1所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述蒸发端外壳（7）包括运输管（8）和空心壳体，所述运输管（8）一端与空心壳体连接，所述运输管（8）另一端与散热端盖（3）连接，所述空心壳体内通过中间滤网划分为第一区域（7-1）和第二区域（7-2），所述第一区域（7-1）与运输管（8）连通，所述第一区域（7-1）和运输管（8）内填充第一多孔介质（2），所述第二区域（7-2）内填充第二多孔介质（6），所述运输管（8）和空心壳体内设有回流管路（4），所述微热管（5）另一端与第二区域（7-2）通过回流管路（4）连通。

8.根据权利要求7所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述第一多孔介质（2）为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述第一多孔介质（2）形成的孔隙不大于40微米；所述第二多孔介质（2）为固体颗粒；所述固体颗粒的直径随空心壳体直径的减少而减小。

9.根据权利要求7所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，其特征在于，所述第二区域（7-2）内分割若干互不连通的同心扇环区域，若干扇形区域与其中心的第一区域（7-2）连通；所述回流管路（4）与扇环区域的大端连通。

10.一种智能机器人，其特征在于，包括权利要求1-5或7-9任一项所述的具有刚性特性的可移植的仿生汗腺，所述蒸发端外壳（7）安装在智能机器人表面内部。