基于紫外光固化制造系统的多刺激响应微型机器人的研究

作     者：高瑛男 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈义保

授予年度：2024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] 0802[工学-机械工程] 

主      题：刺激响应性 微型机器人 水凝胶 紫外光固化 数字微镜 

摘      要：微型机器人是指尺寸较小（通常为几厘米及以下）,能够自主完成一定任务的机器人。与传统机器人不同,由于尺寸较小无法将电机内置其中,只能通过外部刺激来驱动。微型机器人的刺激响应性是指它们对特定的外部刺激（如光、温度、化学物质、磁场等）做出可见和有形的反应。目前,单刺激响应型机器人已经研究的相对成熟,越来越多的研究者们聚焦于多刺激响应机器人。多刺激响应型机器人可以克服单刺激响应过程中存在的工作环境受限、运动形式单一的缺点,被应用于物体运输、医学手术以及军事智能探索等多个领域,成为新一代智能驱动器件的研究热点。本文搭建了紫外光固化实验平台,通过紫外光固化技术设计并制造了2种不同类型的多刺激响应型机器人。在多种物理场的驱动下实现了仿生、智能运输和生物医学领域的应用。为可编程微型机器人在智能运输、仿生医学领域等提供了研究思路。具体研究内容如下: （1）对紫外光固化过程进行了仿真分析与实验验证,并搭建了基于数字微镜系统的紫外光固化实验平台。首先,通过COMSOL仿真软件对水凝胶紫外光固化过程进行建模仿真。采用控制变量法,研究了光固化过程中不同单体浓度、引发剂浓度以及氧气浓度与固化时间的关系。确定了紫外光固化的最佳单体浓度、最佳引发剂浓度和最佳氧气浓度。随后,分别控制单体浓度和引发剂浓度作为变量进行实验,验证了不同对照组实验的光固化时间与仿真结果的一致性。 （2）利用PNIPAM-PEGDA双层结构制成仿生含羞草机器人,不仅可以实现可控、可逆的开放和闭合,且在没有连续刺激的情况下保持三维关闭状态。首先,通过紫外光固化技术制备了具有不同微通道组合的单层PNIPAM水凝胶薄片。由于内部的应力分布不均匀,二维水凝胶薄片在局部刺激下可变形为相应的三维结构。为了使水凝胶薄片即使在没有刺激的情况下仍能保持三维结构,本研究通过二次光固化技术制备了PNIPAM-PEGDA双层结构。基于PNIPAM和PEGDA膨胀率之间的差异,该双层结构对温度和溶剂组成均可做出响应。通过引入光热转换材料多壁碳纳米管,赋予双层结构光响应特性,使仿生含羞草机器人实现了智能运输功能。相比于以往的研究,该PNIPAM-PEGDA双层结构不易分层,且使用寿命长。 （3）利用PNIPAM-PEGDA双层材料制成双刺激响应仿生花。该仿生花在纯净水中（T32℃）呈闭合状态,在激光照射下逐渐开放。此外,本研究还基于PNIPAM-PEGDA双层材料制作了仿生捕蝇软体微型机器人,通过引入磁性颗粒FeO,使其同时具有温度响应性、溶剂响应性和磁响应性。该机器人可以从二维的片状结构可逆地转换为三维管状结构,在较弱的外部磁场驱动下即可用于装载和运输物体到目标位置。该机器人可突破传统基于激光控制微型机器人在工作环境上的限制,不仅可以在冷水中运输物体,还可以在恶劣的热水环境中实现运输功能。