基于纤维素纳米纤维的新型软驱动器的制备及其特性研究

作     者：黄大亮 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王帆

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：离子型电活性聚合物 纤维素纳米纤维 石墨烯 驱动特性 感知特性 

摘      要：传统机器人由刚性构件组成,其缺点是重量大、适应性差、噪音高。相比之下,软体机器人模仿生物的运动方式,利用智能材料的变形、弯曲和膨胀收缩来控制机器人运动,具有质量轻、柔韧性高、适应性强的特点。在软体机器人技术中,驱动器的研究是至关重要的。目前,离子型电活性聚合物作为一种柔性驱动器,由于其驱动电压小、效率高、应变大等优点,受到了广泛关注。离子型电活性聚合物是一种能够在外加电场作用下产生形变或者在外加力作用下产生电信号的材料,具有传感器和驱动器的双重功能,在仿生学、微纳米技术和软体机器人等领域的应用前景十分广阔。本文基于功能化的纤维素纳米纤维和离子液体制备了一种新型的离子型电活性聚合物,并探究了其驱动与感知特性及应用。具体内容如下:首先,使用高导电性的聚合物PEDOT:PSS作为驱动器的电极,解决了传统IPMC不能长时间工作在空气中且电极易脱落的问题;向纤维素纳米纤维离子交换膜中掺杂石墨烯,提升了膜内离子的迁移速度。通过扫描电镜、红外光谱、XRD等分析验证了材料的结构和性能。其次,探究纤维素纳米纤维驱动器的驱动机理,搭建了驱动特性的测试平台,研究了驱动器在不同电压、不同频率的驱动信号下的弯曲变化情况,并与以往研究者的驱动器进行了对比。结果表明,本文制备的驱动器具有较高的弯曲位移和响应时间。基于驱动特性,设计了仿生电子花、与电子屏幕进行交互的仿生手指、螺旋支架等应用。然后,探究纤维素纳米纤维驱动器的感知机理,并搭建了感知特性的测试平台,研究了纤维素纳米纤维驱动器的静态和动态感知特性,以及感知电压与驱动器弯曲变化的关系。基于感知特性,设计了一种微力传感器,并建立了其理论模型和实验模型。结果表明,微力传感器具有较高的灵敏度和线性度。最后,根据纤维素纳米纤维驱动器的驱动特性和感知特性,设计了一种驱动/感知一体化的手爪系统,用来夹持固定一些微小物体。该手爪能够感知施加力的大小自适应地调节其力度,实现精准而灵活地夹持固定物体。该手爪具有广泛的潜在应用场景,例如医疗、工业、农业等领域。