《基於高定向碳納米管的大形變電熱致動器的研究與設計》是依託北京理工大學，由李慶威擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於高定向碳納米管的大形變電熱致動器的研究與設計
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：李慶威
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳納米管作為新型的碳功能材料，在電、熱、力方面性質優異。碳納米管巨觀體如何構築，將直接影響其巨觀性質和套用。排列無序、相互纏繞的碳管粉末套用價值不高。而排列整齊、具有高定向性的碳管巨觀體將會使碳管的微觀特性在巨觀上有充分的表達和體現（高長徑比，軸向的電學、熱學特性）。.因此，本項目的研究重點是碳納米管高定向巨觀體的製備及其功能化套用。我們把超順排碳納米管陣列進行高速拉膜輥壓，製備出高定向的柔性碳納米管紙。定向碳納米管紙具有極強的各項異性：沿著碳管順排方向的電導、熱導是其非順排方向的10倍以上。通過對碳管紙進行圖形設計、精細加工並與高性能矽橡膠複合，我們製備出了一系列功能化的電熱致動器件。這些致動器不僅能進行180度的大角度彎折，而且能完成諸多複雜動作，比如：螺旋捲曲、模仿人手的仿生動作等。我們希望藉助青年基金的支持，進一步完善設計，把現有致動器提升一個台階，使其集成化、功能化，力爭實用化。
結題摘要
隨著機器人技術的進步和普及，多種套用場景對機器人動作的複雜度、靈巧性和協同性提出了更高的要求。比如，要求新型機器人實現多關節運動（模仿人類手指的靈巧動作），多肌肉協同的複雜動作（模仿人類的豐富表情），全柔性的致動器件及動作（模仿象鼻的動作、蠕蟲的爬行），小型化的致動器件（微型靈巧機器人及關節）。利用目前的機器人致動技術（伺服電機）和傳動裝置（氣壓、液壓傳動）還很難實現上述動作要求。主要因為電機動作的剛性以及機械裝置很難小型化，導致現有機器人的動作僵硬，而且無法實現各種精細動作和複雜靈巧動作。因此，研究開發新型的柔性致動器和高性能的仿生人工肌肉不僅具有重要的科學意義，還具有普遍的社會價值。 本項目研究的是基於熱致彎曲原理的柔性致動器，利用高定向碳納米管材料（超順排碳納米管陣列、高定向碳納米管紙）及其複合物，設計製備雙層複合膜結構。利用圖形化的碳納米管膜加熱電路，在電流加熱條件下，使得聚合物層迅速膨脹，利用雙層材料的熱膨脹率的巨大差異，使得複合膜產生超過180°可控彎曲形變。 取得的主要成果是：對超順排碳納米管陣列進行拉膜輥壓，可以製備大面積的碳納米管紙。通過對高定向的碳納米管紙進行圖形加工，並利用該種材料的各向異性輸運性能，使得製備的雙層電熱致動器可以完成多種動作和形變，實現一定的功能。例如實現10個動作單元的可控彎曲致動，實現類似人手抓握動作的仿生致動。更重要的是，電熱致動器較比傳統的電場型、離子型致動器有著驅動電壓低、不使用電解液的優勢，便於進行推廣套用。 通過該項目的資助，我們開發出的功能化電熱致動器的驅動電壓範圍5~100V，電流小於0.2A。製備的複雜電熱致動器有多大10個致動單元，仿生手致動器可以對5根手指分別進行控制，致動單元的彎曲角度可以超過180°。 該項目研究利用了納米新材料的特殊性質，提出了電熱致動器的新穎設計方案，實現了多功能、大角度致動，將來有望套用於柔性機器人和人工肌肉領域。
