柔性輕薄型碳納米管基人工肌肉材料的製備和性能研究

《柔性輕薄型碳納米管基人工肌肉材料的製備和性能研究》是依託福建師範大學，由陳魯倬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：柔性輕薄型碳納米管基人工肌肉材料的製備和性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳魯倬
• 依託單位：福建師範大學

項目摘要

人工肌肉材料與傳統的機械致動裝置和材料相比，能夠更好地模仿人類肌肉的運動方式，在機器人工程、仿生醫學、航天等領域都有廣闊的套用前景。碳納米管具有優越的電學、熱學和力學性能，碳納米管複合材料更是集合了碳納米管與其他材料的優越性能。該研究以碳納米管薄膜複合材料在離子型人工肌肉材料上的套用為研究對象, 首次提出將超順排碳納米管薄膜用於製備柔性輕薄型人工肌肉材料。超順排碳納米管薄膜單層厚度僅為幾十納米，通過堆疊多層膜可製備成具有納米孔隙度的導電網路，並且具有耐彎折，導電性能好，力學強度高，比表面積大等優點。該研究還側重於製備全固態、可直接在空氣中使用的離子型人工肌肉材料，提出有別於傳統的物理壓附製備全固態器件的方法，在方法上是一個創新。綜合分析碳納米管基人工肌肉材料的電化學性能、產生形變、回響速率、使用頻率範圍、輸出力、循環壽命等性能，必將對人工肌肉材料的設計和套用起重要的指導作用。

結題摘要

人工肌肉材料是一種可將其他形式的能量（如電能、光能、熱能等）直接轉化為機械能的智慧型材料，在機器人、仿生學、醫學、智慧型開關、航天等領域都有廣闊的套用前景。在本項目中，我們對碳納米管基人工肌肉材料的材料設計、製備方法、性能與潛在套用進行了研究：1. 提出一種全新的基於超順排碳納米管薄膜的複合材料體系，可用於製備人工肌肉材料與致動器，並且發明了快速製備大形變捲曲型電致動器的方法。該致動器可以同時實現大形變，低電壓驅動、快速製備等幾個需求，性能顯著優於此前報導的同類型電致動器。通過精妙的結構設計，進一步製備了可實現S型彎曲的電致動器與可負重行走的仿生機器人；2. 成功製備了基於單層超順排碳納米管薄膜的透明致動器，並精心設計與實現了可充分利用透明性的透明刷與透明機器人手。後者也是作為“隱形機器人”實現的一個初步嘗試；3. 設計與製備了雙層圓形結構致動器，可作為焦距可變的凸面鏡，套用於光學領域。4. 提出了一種全新的相變致動器，其形變機制與以往的致動器不同，是基於液體相變原理，並製備出心型的液體循環系統，展示了在仿生醫學方面的套用；5. 在實驗研究的同時，進行理論建模，分析了致動器形變位移與懸臂樑長度、溫度變化量、兩層材料厚度以及兩層材料厚度比的具體關係，計算結果可為實驗研究提供重要參考。總之，本項目的研究成果已發表論文10篇，包括發表在ACS Nano，Nanoscale等SCI一區收錄的國際著名期刊7篇，並申請發明專利4項，獲得授權發明專利29項（包括美國、日本、中國等地），順利完成了項目研究計畫，達到預期成果。