一种磁场驱动的全柔性鳍及其制备方法与流程

专利2022-05-09  3


本发明属于软机器人技术领域,具体涉及提出一种磁场驱动的全柔性鳍及其制备方法。



背景技术:

柔性机器人由于其能够发生较大变形的特点,可以适应许多极端特殊场景,也因此柔性机器人在深海探测、生物医药等领域有着广阔的应用前景。

生物体是我们所认识到的最完美的柔性机器结构,从生物体结构中吸取灵感进行制造也逐渐成为了柔性机器人发展领域的重要方向。鱼能够在水中自由地游动,离不开鱼鳍的推动作用。模拟鱼鳍的摆动形式成为了未来水下航行器推动的一种有效的手段。德国fseto公司曾经研究了一款名为bionicfinwave的水下航行机器人,可以近似模仿鱼类在水下的游动情况。

然而目前的这种类鱼鳍状的结构大多数都是刚性的元器件,在深水压下进行驱动极易造成损坏,并且机械结构相对比较复杂,在进行水下航行时需要考虑的不可控因素较多。因此制备一种全柔性的、结构简单的鳍状结构对于解决目前软水下航行器具有重要的意义,它将对未来水下航行器轻量化、小型化、一体化的发展起到重要的引导作用。



技术实现要素:

为了克服上述现有技术存在的问题,本发明在于提供一种磁场驱动的全柔性鳍及其制备方法,所以运动的连续性好,并且可以适应不同复杂的环境,具有良好的生物相容性。

为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种磁场驱动的全柔性鳍,包括带状弹性聚合物基体2,镶嵌在带状弹性聚合物基体2上的多条磁化的磁活性聚合物基体1,所述多条磁化的磁活性聚合物基体1在带状弹性聚合物基体2上平行放置且相邻的磁活性聚合物基体1的磁畴分布方向完全相反;所述磁活性聚合物基体1和带状弹性聚合物基体2之间通过材料的分子间作用力亲附在一起,形成全柔性鳍,该全柔性鳍放入交变激励磁场中,能够实现周期性的扑动运动。

所述带状弹性聚合物基体2采用硅橡胶材料,所述磁活性聚合物基体1为掺杂有硬磁颗粒的硅橡胶材料。

所述硅橡胶材料为聚二甲基硅氧烷pdms或铂催化硅橡胶ecoflex;所述硬磁颗粒为钕铁硼ndfeb、稀土钴磁铁或钐钴合金。

为了使得扑动运动幅度明显,所述磁活性聚合物基体1为细长条形,细长条形的长宽比范围为3:1~5:1;为了保证扑动运动的连续性,相邻磁活性聚合物基体1之间的距离与其宽度之比为5:1~10:1。

所述交变激励磁场的变化频率f1与扑动运动频率f2之间应满足f1=t*f2,t的取值范围为0.8~1.2。

所述的一种磁场驱动的全柔性鳍的制备方法,包括以下步骤:

步骤一,将弹性胶体溶液与未磁化的硬磁颗粒进行混合搅拌;

步骤二,将混合好的溶液放入设计好的矩形模具中加热固化,得到掺杂有硬磁颗粒的柔性材料;

步骤三,将固化好的柔性材料放入均匀磁场中进行磁化,得到包含有同向磁畴分布的磁活性聚合物材料;

步骤四,将磁化后的磁活性聚合物材料裁剪成相同宽度的细长条形,形成磁活性聚合物基体1;

步骤五,将磁活性聚合物基体1依次正反颠倒放置于矩形模具中,使相邻磁活性聚合物基体1中的磁畴分布方向完全相反,并保持其之间的间距相等;

步骤六,将弹性胶体溶液倒入含有排布好磁活性聚合物基体1的模具中,继续加热固化,得到制备好的全柔性鳍;

步骤七,将制得的全柔性鳍放入交变激励的磁场中,能够实现周期性的扑动运动。

步骤一中所述的弹性胶体溶液与未磁化的硬磁颗粒混合的质量比范围为10:1~1:1。

步骤二中所述的固化的加热温度为90℃-150℃;加热时间为2h-3h。

步骤三中所述的均匀磁场的磁化强度m与材料中掺杂的硬磁颗粒的百分比a%满足关系式m=k*a,k的取值范围为0.1-0.5,磁化强度m的单位为a/m。

步骤三和步骤七中的磁场由亥姆霍兹线圈提供,并且步骤七中磁场强度要比步骤三中磁化的磁场强度小一到二个数量级。

本发明主要利用磁畴在与磁场之间有一定角度时会发生一定偏转的原理,将磁畴固定在软材料中,通过磁场的变化带动材料的不断变形从而实现一定的复杂运动。

本发明具有以下优点:

1、本发明全柔性鳍所使用的材料都是绿色,无毒的。

2、本发明全柔性鳍的结构简单、稳定性优异,运动效率高。

3、本发明全柔性鳍变形性能优异,由于设计结构为全柔性的,所以运动的连续性好,并且可以适应不同复杂的环境,具有良好的生物相容性。

4、利用本发明制作的全柔性鳍可以应用在水下航行机器人的动力驱动部分,在软机器人领域有广泛的应用。

5、本发明全柔性鳍制备方法简单易行。

附图说明

图1a为本发明全柔性鳍的结构示意图;图1b和图1c为本发明全柔性鳍在交变磁场下材料的变形情况示意图。

图2为全柔性鳍结构的实物图。

图3为全柔性鳍在交变磁场作用下变形的实验图。

图4为全柔性鳍在交变磁场作用下进一步变形的实验图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实例来详细说明本发明,但并不作为对本发明的限定。

如图1a所示,本实施例一种磁场驱动的全柔性鳍,包括带状弹性聚合物基体2,镶嵌在带状弹性聚合物基体2上的两条磁化的磁活性聚合物基体1,两条磁化的磁活性聚合物基体1在带状弹性聚合物基体2上平行放置且相邻的磁活性聚合物基体1的磁畴分布方向完全相反;磁活性聚合物基体1和带状弹性聚合物基体2之间通过材料的分子间作用力亲附在一起,形成全柔性鳍,该全柔性鳍放入交变激励磁场中,能够实现周期性的扑动运动,如图1b和图1c所示。

本实施例一种磁场驱动的全柔性鳍的制备方法,包括以下步骤:

步骤一,将ecoflex-0010a和b溶液等质量混合并按照1:1的比例与未磁化的钕铁硼粉末进行混合搅拌。

步骤二,将混合好的溶液放入设计好的矩形模具中在90摄氏度环境下进行固化3h,得到掺杂有钕铁硼粉末颗粒的柔性材料。

步骤三,将固化好的柔性材料放入均匀磁场中进行磁化,得到包含有同向磁畴分布的磁活性聚合物材料。

步骤四,将磁化后的材料裁剪成相同宽度的细长条形,细长条形的长宽比范围为3:1,形成磁活性聚合物基体1。

步骤五,将两条磁活性聚合物基体1正反颠倒放置于矩形模具中,使相邻磁活性聚合物基体1中的磁畴分布方向完全相反,并保持其之间的间距相等。

步骤六,将ecoflex-0010a和b溶液等质量混合,放入含有磁活性聚合物的矩形模具中,继续在90摄氏度环境下固化,得到设计全柔性鳍结构。如图2所示。

步骤七,将制得的结构固定一边,放入交变激励的磁场中,全柔性鳍可以实现周期性的扑动运动。如图3、图4所示。

其中,步骤一和步骤六中所应用的ecoflex-0010a和b溶液为常用的弹性胶体,在具体的应用过程中,也可以采用聚二甲基硅氧烷等材料代替;

步骤二和步骤五中所设计的矩形模具可以根据实际尺寸进行设计。

步骤五中裁成的长条区域在进行放置的过程中一定要使得相邻部位的磁畴的排布方向相反,由于材料在进行磁化之后磁畴的排布方向相同,所以可以采用但不限于将材料正反颠倒进行放置;在放置的过程中,相邻长条部分之间的距离与其宽度之比为10:1,可以根据需求扑动运动幅值的要求进行适当改变。

步骤七交变激励的磁场的频率的选择可以根据想要的扑动运动频率进行设置,二者为正比关系;步骤三和步骤七中的磁场由亥姆霍兹线圈提供,并且一般情况下步骤七中所述磁场强度要比步骤三中磁化的磁场强度小一到二个数量级。

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