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科研进展

苏州纳米所邸江涛研究员等在仿生人工肌肉研究方面取得新进展

发(fa)布日(ri)期(qi):2020-03-19 浏览次数: 【关闭】

  随着软体机器人和智能可穿戴电子设备的飞速发展,仿生智能纤维人工肌肉的研究和应用近来被广泛研究。人工肌肉纤维具有与生物肌肉纤维相类似的功能和结构,在适当的外界刺激方式下,产生仿生物肌肉的感知传感和反馈驱动动作。其在软体机器人、智能穿戴以及辅助医疗等领域有重要的应用前景。针对全固态人工肌肉纤维驱动器和传感器的结构设计、功能优化及应用场景展示等问题,中科院苏州纳米所邸江涛、李清文研究团队开展了长期的研究,近期取得了新进展。 

  在目前研究的众多人工肌肉纤维中,基于离子嵌入/脱出的电化学人工肌肉纤维由于其低的工作电压,无明显热效应等特点而引起科研人员的浓厚兴趣。但是基于目前的研究现状,电化学人工肌肉纤维仍然面临着一些挑战。例如,目前的电化学人工肌肉纤维主要是基于液态的工作体系,无法在空气中稳定的工作,这严重限制了电化学人工肌肉的应用范围。 

  针对上述挑战,中科院苏州纳米所邸江涛、李清文团队从材料选择和结构设计出发,构筑了一种离子液体填充纳米纤维鞘层的电化学人工肌肉纤维。 

  该(gai)电(dian)(dian)化(hua)学人工肌肉(rou)纤维能够在空气(qi)中(zhong)稳定工作,其结构以及工作原(yuan)理如图1所示。施加低(di)电(dian)(dian)压(ya)时,阴(yin)阳离子分别(bie)超正负电(dian)(dian)极迁(qian)移并嵌入,使得人工肌肉(rou)纤维收缩。当移除(chu)电(dian)(dian)压(ya)时,阴(yin)阳离子从电(dian)(dian)极脱出,人工肌肉(rou)纤维恢复原(yuan)长。

1.电化学(xue)人工(gong)肌(ji)肉的结(jie)构以及工(gong)作原(yuan)理(li)示意图

  首先他们利用原位静(jing)电纺丝(si)技术,在碳(tan)纳米管(CNT)纤维表面均匀沉积一层PVDF-HFP纳米纤维。接着(zhe)将PVDF-HFP/CNT复合纤维加(jia)捻成螺旋结构,通过(guo)自绞(jiao)合、剪切等分别构成正(zheng)负(fu)电极,浸泡离(li)子液体后(hou)即形(xing)成电化学(xue)人(ren)工(gong)肌肉(图(tu)2)。


图(tu)2. 电化(hua)学人工肌(ji)肉纤(xian)维(wei)(wei)的(de)(de)(de)制备(bei)流程及(ji)结(jie)构表征. a.制备(bei)流程;b. CNT 纤(xian)维(wei)(wei);c.PVDF-HFP/CNT纤(xian)维(wei)(wei);d. PVDF-HFP/CNT纤(xian)维(wei)(wei)截面;e.加捻(nian)后(hou)的(de)(de)(de)PVDF-HFP/CNT纤(xian)维(wei)(wei);f.自绞合后(hou)的(de)(de)(de)PVDF-HFP/CNT纤(xian)维(wei)(wei);g.集束后(hou)的(de)(de)(de)PVDF-HFP/CNT纤(xian)维(wei)(wei).

  PVDF-HFP纳(na)(na)米纤维层(ceng)具(ju)有(you)(you)大(da)量的(de)(de)孔隙结构,可以(yi)储(chu)存大(da)量的(de)(de)离子(zi)(zi)(zi),同(tong)时(shi)具(ju)有(you)(you)良好(hao)(hao)的(de)(de)离子(zi)(zi)(zi)电(dian)导(dao)率。此外其还具(ju)有(you)(you)良好(hao)(hao)的(de)(de)机械性能,可以(yi)作(zuo)为两个电(dian)极之间的(de)(de)隔膜,从而避免了短(duan)路现(xian)象。离子(zi)(zi)(zi)液体(ti)(ti)具(ju)有(you)(you)宽(kuan)的(de)(de)电(dian)化(hua)学窗口,低的(de)(de)蒸汽(qi)压(ya)。因此离子(zi)(zi)(zi)液体(ti)(ti)填充纳(na)(na)米纤维鞘层(ceng)的(de)(de)电(dian)化(hua)学人工肌肉具(ju)有(you)(you)良好(hao)(hao)的(de)(de)稳(wen)定性。其可以(yi)在(zai)宽(kuan)范围的(de)(de)环境湿度和温(wen)度下、长期储(chu)存在(zai)空气(qi)中,以(yi)及(ji)打结后均能够稳(wen)定工作(zuo)(图3)。


图3. 电(dian)化(hua)学人工肌肉纤维的稳定性表征(zheng).

  基(ji)于该人工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维良好的稳定(ding)性以及(ji)驱(qu)(qu)动性能,他们将(jiang)(jiang)这种稳定(ding)的电化学人工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维作(zuo)为驱(qu)(qu)动组件(jian)应用到仿生机器人器件(jian)中。图4展示了仿生手(shou)臂和三(san)爪(zhua)抓手(shou)。通过(guo)集(ji)束增(zeng)加(jia)输出(chu)力,人工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维可(ke)以提(ti)起自身重量近百(bai)倍的小哑铃(ling)。将(jiang)(jiang)人工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维与弹簧(huang)集(ji)成制(zhi)备(bei)的三(san)爪(zhua)抓手(shou),像人的手(shou)一(yi)样可(ke)以抓取、保持、释放重物。


 图4. 电(dian)化学人工肌肉纤维的应用展示

  该成果以Strong and Robust Electrochemical Artificial Muscles by Ionic-Liquid-in-Nanofiber-Sheathed Carbon Nanotube Yarns为题发表在small上()。论文第一作者是博士生任明,通讯作者为邸江涛研究员和李清文研究员,合作者包括香港理工大学陈韦教授。感谢邓捷和孙一洋同学提供的帮助。 

  此外,团队成员发现单根碳纳米管纤维在裹上凝胶电解质后具有独特的压电离子效应,对应变极其敏感,经历不对称拉伸时可在纤维两端输出毫伏级别高分辨率、低噪声的电压。基于此制备了一种新型全固态压电离子纤维作为无源应力传感器,其输出传感电压的大小可通过拉伸频率和拉伸应变来调节,具有宽频(0.1-10 Hz)响应性和宽应变(1-80%)响应性。该团队将此压电离子纤维无源应力传感器编入手套中,制备智能手套,可有效识别手势动作并与机械手进行良好的人机交互。该成果以Gel-Electrolyte-Coated Carbon Nanotube Yarns for Self-Powered and Knittable Piezoionic Sensors为题发表在ACS Applied Electronic Materials上()。论文第一作者是北航李敏教授和课题组博士生乔健,通讯作者为邸江涛研究员和李清文研究员。 

图5. 碳纳(na)米(mi)管纤(xian)维新型压电离(li)子(zi)纤(xian)维结构示意图及其压电离(li)子(zi)效应产(chan)生(sheng)机理


图6. 编入压电离子纤维无源应变传感器的智能手套与机械手的人机交互 

  以上工作(zuo)(zuo)得到了(le)工作(zuo)(zuo)得到了(le)国家(jia)重点研(yan)发计(ji)划(2020YFB1312902,2016YFA0203301)、国家(jia)自然科学(xue)基金(21975281, 21773293,21603264)等科研(yan)项目的支持。

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