一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法，其特征在于：是在聚电解质柔性基体层的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极；上、下表面的片状电极一一对称，相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成传感功能元件或致动功能元件；在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路；其制备方法为：通过掩膜的方式，或通过整体镀覆后再激光切割的方式，在聚电解质柔性基体层上形成片状电极和电路。本发明专利技术的自传感驱动器工艺简单，且利用了IPMC兼具传感功能和致动功能的特点，可以实现对柔性曲面驱动器曲面变形位置的精确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法
本专利技术涉及一种基于离子聚合物-金属复合材料(IonicPolymer-MetalComposites，IPMC)的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法，属于离子型电致动聚合物的制备及应用领域。
技术介绍
柔性驱动器是柔性机械电子的关键部件,在本世纪新兴的科学技术中，柔性机械电子是仿生机器人、人工智能、穿戴医疗等人类未来产业重要发展领域的核心技术之一。与传统刚性机械电子不同，柔性机械电子摒弃了复杂的机械传动装置，通常以功能聚合物或者聚合物基复合材料为基础实现复杂终端运动。作为柔性驱动器所用的主体材料的离子型电致动聚合物，不但拥有电压驱动低、变形大、柔韧性好等优势，而且还兼有致动和传感功能。目前，这一材料也被大量用于驱动器方面的探索工程，且应用丰富。但大多数现有的应用研究只以单片或数片分离样片联立的形式进行驱动器结构设计，实现的驱动形式(变形方式)较为单一。也有少数研究团队对使用IPMC材料实现曲面多自由度变形进行了初步的尝试，较为典型的代表为2009年韩国金南大学研究的仿乌贼机器鱼(FengGH,TsaiJW.Biomedicalmicrodevices,2011,13(1):169-177)以及2011年弗吉尼亚大学开发的仿蝠鲼机器鱼(Sung-WeonYandIl-KwonO.SmartMaterialsandStructures,2009,18(8):085002)。这两项研究中分别采用玻璃纸和PDMS为多片IPMC之间的连接层，可以认为是阵列式柔性驱动器的雏形，然而相关研究团队停留在对于驱动器仿生形态的改进上，并未对驱动器元件进行进一步设计和探索。可见，对于基于IPMC型柔性驱动器的研究已取得了一定的成果，但关于复杂曲面驱动器的研究尚处于探索阶段；现有的基于IPMC型柔性驱动器中，有的仅利用了IPMC的单自由度弯曲变形，有的虽然在研究多自由度弯曲变形但却未用到传感功能，而对于兼备传感功能和致动功能的阵列式柔性驱动器的分布设计及研究几乎空白。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法，利用IPMC材料的传感功能和致动功能，实现对柔性曲面驱动器曲面变形位置的精确控制，对于推动柔性智能材料的应用以及柔性机器电子技术的发展具有重要意义。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特点在于：所述自传感驱动器是在聚电解质柔性基体层的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一一对称；相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成一功能元件，所述功能元件为传感功能元件或致动功能元件；在所述自传感驱动器上同时存在传感功能元件和致动功能元件；在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路，各电路从聚电解质柔性基体层的一侧引出。所述自传感驱动器的整体结构面积不小于1cm2、厚度不小于20μm；各片状电极的面积不小于10mm2、厚度不小于1μm；所述电路(3)的宽度不小于0.1mm。所述聚电解质柔性基体层选自Dupont公司的Nafion系列离子交换膜、AsahiChemical公司的Aciplex系列离子交换膜、AsahiGlass公司的Flemion系列离子交换膜或SolvaySolexis公司的Aquivion系列离子交换膜；形成所述片状电极及电路的材料各自独立的选自金属、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。所述金属为Pd、Au、Ag与Cu中的至少一种。将各片状电极的电路连接至外电路控制系统；在形成各致动功能元件的两片状电极之间施加相同或不同的激励电压(1-10V)，使各致动功能元件产生相应的厘米级变形，从而使得自传感驱动器整体发生柔性曲面变形，并促使各传感功能元件的两片状电极之间形成电势差；外电路控制系统通过检测电势差，实现对自传感驱动器的曲面变形的实时测量，并产生反馈对激励电压进行校正，直至各致动功能元件产生预期变形，从而实现对自传感驱动器曲面变形的精确控制。上述自传感驱动器的制备方法，包括如下步骤：首先将聚电解质柔性基体层裁剪成所需的形状，再通过掩膜技术将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极和电路的部分用掩膜材料掩盖；然后将电极材料镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被掩膜材料掩盖的部分，形成片状电极和电路；最后去除掩膜材料，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器；或：首先将聚电解质柔性基体层裁剪成所需的形状，再通过掩膜技术将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极的部分用掩膜材料掩盖；然后将电极材料镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被掩膜材料掩盖的部分，形成片状电极；去除掩膜材料，再在各片状电极的边缘设置电路，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器；或：首先将柔性基体层裁剪成所需的形状，再将电极材料镀覆在柔性基体层表面形成整体电极；然后通过激光切割技术对整体电极进行切割，去除部分电极，形成呈阵列式分布的片状电极和电路，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。所述掩膜材料可选自但不限于透明胶、有机玻璃夹板或聚四氯乙烯夹板。所述激光切割技术的切割深度比片状电极厚度大至少1μm。本专利技术基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器可以在多自由度柔性曲面机械中应用，例如仿生机器人、穿戴医疗装置。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术的自传感驱动器利用了IPMC兼具传感功能和致动功能的特点，实现对柔性曲面驱动器曲面变形位置的精确控制；与单片或数片联立的IPMC驱动器相比，本专利技术能够产生多自由度曲面弯曲变形；与其它形式的阵列式IPMC驱动器相比，本专利技术能过通过传感功能元件对致动功能元件的变形进行精确控制；与其它阵列式柔性电致动聚合物型驱动器相比，本专利技术结构及制备工艺更为简单。附图说明图1为本专利技术实施例1～4的3×3方阵型自传感驱动器的结构示意图(a为其主视图，b为其俯视图)；其中(b)中传感功能元件(灰色)和致动功能元件(白色)呈行行间隔的方式分布于基体层上下表面。图2为本专利技术实施例1～4的3×3方阵型自传感驱动器的尺寸分布示意图。图3为本专利技术实施例1～4的3×3方阵型自传感驱动器接上外电路控制系统的示意图，其中传感功能元件(白色)和致动功能元件(灰色)呈行行间隔的方式分布于基体层上下表面。图4为本专利技术实施例4的仿鳐鱼形阵列式自传感驱动器的结构示意图；其中白色为传感功能元件、灰色为致动功能元件。图中标记：1为聚电解质柔性基体层；2为片状电极；3为电路；A为传感功能元件；B为致动功能元件。具体实施方式在具体实施过程中，为使本专利技术的技术方案更加清晰完整的呈现出来，下面将结合具体实例对本专利技术进行清楚、完整地描述。所描述的实例只是本专利技术一部分实例，而不能代表全部的实例。基于本专利技术中提到的新型结构特征及材料应用，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1如图1所示，本实施例基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，是在聚电解质柔性基体层1的上、下表面皆呈3×3方阵式设置有多个片状电极2，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述自传感驱动器是在聚电解质柔性基体层(1)的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极(2)，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一一对称；相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成一功能元件，所述功能元件为传感功能元件(A)或致动功能元件(B)；在所述自传感驱动器上同时存在传感功能元件和致动功能元件；在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路(3)，各电路从聚电解质柔性基体层的一侧引出。

【技术特征摘要】
1.基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述自传感驱动器是在聚电解质柔性基体层(1)的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极(2)，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一一对称；相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成一功能元件，所述功能元件为传感功能元件(A)或致动功能元件(B)；在所述自传感驱动器上同时存在传感功能元件和致动功能元件；在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路(3)，各电路从聚电解质柔性基体层的一侧引出；将各片状电极的电路连接至外电路控制系统；在形成各致动功能元件的两片状电极之间施加相同或不同的激励电压，使各致动功能元件产生相应的厘米级变形，从而使得自传感驱动器整体发生柔性曲面变形，并促使各传感功能元件的两片状电极之间形成电势差；外电路控制系统通过检测电势差，实现对自传感驱动器的曲面变形的实时测量，并产生反馈对激励电压进行校正，直至各致动功能元件产生预期变形，从而实现对自传感驱动器曲面变形的精确控制。2.如权利要求1所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述自传感驱动器的整体结构面积不小于1cm2、厚度不小于20μm；各片状电极(2)的面积不小于10mm2、厚度不小于1μm；所述电路(3)的宽度不小于0.1mm。3.如权利要求1所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：形成所述片状电极及电路的材料各自独立的选自...

【专利技术属性】
技术研发人员：常龙飞，俞林锋，刘炎发，胡小品，刘钊，朱子才，王延杰，吕品，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34