生物凝胶仿生人工肌肉

第1章 绪论 1.1 离子凝胶仿生人工肌肉的研究现状 有关电活性聚合物的研究自20世纪90年代开始逐渐深入，离子凝胶电驱动器作为一种离子型电活性聚合物（electroactivepolymer，EAP），在电激励下能够产生明显的尺寸与形状变化，而在机械振动下能够产生相应的电激励信号，成为微型机器人领域中制造驱动器与传感器的*具有发展潜力的仿生材料之一。同时，离子凝胶电驱动器作为一类机电一体化产品，将传统电机与齿轮传动分离机制融为一体，可以轻型化、小型化、柔性化，为旧装备升级改造与新装备开发提供了新思路[6-8]。此外，离子凝胶电驱动器具有密度小、制造成本低、工艺便捷、低电压驱动、柔韧性好等诸多优势，在航空航天、水下装备制造、仿生设备制造、生物医疗及能量收集等领域具有重大的应用潜力。因此，离子凝胶电驱动器成为当今学术界的研究热点，被列为国家高科技创新能力的前沿技术之一，更是21世纪人工智能研究的新方向。 进入21世纪，随着科技进步，将传统机械与电融合并实现机电一体化，进而使驱动装备轻型化、小型化、柔性化成为社会发展的共识。伴随着仿生学的诞生，以模仿生物系统特性或生物行为方式等构建起的人工智能研究成为学术界的主流，其中，“人工肌肉”成为当前仿生学研究的重要分支。与传统意义的人工肌肉采用的智能材料（如形状记忆金属、电活性陶瓷）相比，EAP因具有柔性好、密度小、能耗低、变形大等优势而备受关注，在电激励下EAP能够快速实现尺寸与形状的伸缩变化，成为制备传感器与驱动器的优良选择。 航空航天领域是智能材料潜在的应用领域之一，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）较早将其应用于新型太空装备的开发，由其制备的驱动器密度小、体积小，可满足远程探索机器人装备、太空雨刷等驱动需求。在仿生机器人制造领域，人工肌肉具有柔性好、变形大等特性，在机械抓手、鱼鳍、昆虫翅膀、行走足等方面获得了突破性进展。此外，在生物医学领域，EAP也出现了诸多尝试性的研究，如隔膜式微型泵、活性微型导管、主动内窥镜和手术微镊等，这都积极推动了EAP商业化进程。 根据形变机理，EAP主要包括电场型与离子型，如表1-1所示。电场型EAP主要分类为电伸缩材料（如形状记忆金属）、铁电材料及压电材料等。在直流电压下，通过内部库仑力诱导其应变，具有较大的表面能密度，响应速度快，但需要几千伏的激发电压，这使其应用安全性面临挑战。相对而言，离子型EAP通过离子迁移诱导表层形变，具有驱动电压低（1～5V）、形变大、柔性好等优势，因而获得学术界广泛关注。 当前，离子型EAP主要有离子聚合物凝胶（即离子凝胶电驱动器）、离子聚合物金属复合材料（ionic polymer metal composites，IPMC）、导电聚合物等。通过对离子型EAP驱动机理分析发现，IPMC的驱动实质是依靠内部阳离子迁移引起水分浓度变化而产生表层应变，引起驱动变形；导电聚合物则是利用电极发生氧化还原反应，导致聚合物电荷不平衡而引起驱动变形。此前，IPMC成为学者普遍研究的对象，其优异的弯曲形变与响应速度使其在仿生机器人、微医疗器械、水下推进等方面成果突出，如图1-1所示。然而，随着研究的深入，人们发现与IPMC相比，离子凝胶电驱动器与碳族衍生物的兼容性更有利于制备柔性电极；同时，与导电聚合物相比，离子凝胶电驱动器的响应速度更快，制备形式多样化，使得离子凝胶电驱动器的研究具有巨大潜能。因此，近年来，离子凝胶电驱动器（也叫离子凝胶仿生人工肌肉）受到了学术界普遍青睐。 1.1.1 碳纳米管类人工肌肉的研究 在新材料研究领域，纳米材料是近20年来兴起的核心部分，碳纳米管与石墨烯作为碳族元素的典型代表，以其独*的大表面积、高导电、高机械强度等物理性能与结构优势呈现出强大的应用前景（图1-2）。 图1-1　IPMC不同工程实践领域的应用示意图 图1-2　石墨烯与碳纳米管的结构模型 自1991年日本的饭岛澄男（Lijima Sumio）发现碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs），其以独*的结构、机械、电学性能逐渐成为科学家关注的焦点，学术界针对其性能与结构进行了大量研究工作，取得了诸多突破性进展。现阶段碳纳米管主要分为单壁碳纳米管（single-walledcarbon nanotubes，SWCNT）与多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNT），碳纳米管由于具有优异的力学、电学和热学特性与良好的生物兼容性，较早应用于离子凝胶电驱动器的制造。 在单壁碳纳米管制备离子凝胶聚合物驱动器方面，Baughman等*早报道了采用单壁碳纳米管制备聚合物凝胶驱动器，无离子夹层结构改善了聚合物凝胶驱动器的响应速度，实验证实，与传统铁电体相比，基于优化纳米片的碳纳米管驱动器能够提供更为稳定的周期工作性能，如图1-3所示。随后，Guo等发表了碳纳米管驱动器电激励弯曲的报道，在外界场强为1N/C时能产生优于传统材料10%的应变，其响应电容与体积变化分别优于铁电体、电伸缩材料的6倍与3倍。同年，Barisci等使用脉冲电阻补偿改善电机械特性的碳纳米管驱动器，这种脉冲补偿能有效地改善电荷比与驱动应变比，*大的应变比可达0.6%/s，且在0.5s内实现量值为0.3%的应变。通过离子液体（BMIBF4）/聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）与单壁碳纳米管混合液层层浇注的方法，Fukushima等制备了“Bucky gel”离子凝胶电驱动器，如图1-4所示，其研究极大地推动了打印制造机械设备的发展。Mukai等报道了一种毫米级“超级生长”的SG-SWCNTs（单壁碳纳米管）与离子液体混合的离子凝胶电驱动器，在3V电激励下弯曲时间仅需1s。同年，Sugino等研究了一种变化添加剂方式的“Buckygel”离子凝胶电驱动器，发现非导电的介孔氧化硅与导电的聚苯胺对于驱动器的电荷存储效果具有重要影响。Mukai等制备了一种高响应速度的离子凝胶电驱动器，电极伏安测试结果表明这种高响应速度源于SG-SWCNTs的氧化还原反应，其驱动器结构如图1-5所示。Li等[40]报道了一种创新的单壁纳米管悬臂梁式电机械驱动的凝胶驱动器，其响应速度可达19ms，具有惊人的应变率（1080/s）与超高的机械能密度（244W/kg）。Giménez等开发了一种离子液体的单壁碳纳米管驱动器，在高频信号2V方波下机电响应速度达到100Hz，说明较好地分离电容与感应电流有助于电化学设备的精确设计与开发。Terasawa等研究了一种裹敷氧化钌的单壁碳纳米管离子凝胶驱动器，相对于传统的碳纳米管聚合物驱动器，获得了较大应变，如图1-6所示。同时，Terasawa等相继研究了电极与电解质的自扩散参数与离子传导对实现离子凝胶电驱动器低电压驱动的重要意义。 图1-3　Baughman等的碳纳米管驱动器 图1-4　Fukushima等的“Buckygel”离子凝胶电驱动器 图1-5　Mukai等的SG-SWCNTs离子凝胶电驱动器结构 图1-6　Terasawa等的单壁碳纳米管离子凝胶驱动器 在MWCNT制备离子凝胶电驱动器方面，Lu等采用MWCNT与离子液体、壳聚糖聚合物构筑了具有生物兼容性的离子凝胶电驱动器，较早提出了采用MWCNT制备凝胶电驱动器的想法。同年，Liu等研究可控对齐结构的MWCNT与Nafion膜纳米复合材料电极的离子凝胶电驱动器，实验论证了该电极的弹性效果能够明显抑制内部应力，并提高驱动应变（4V激励下应变大于8%），如图1-7所示。Terasawa等报道了MWCNT与PVDF-HFP聚合物的离子凝胶电驱动器，通过与单壁碳纳米管驱动器的电机械与电化学性能对比发现，MWCNT-COOH能改善电极层表面湿润性、增加比表面积，使驱动性能增强。同年，他们研究了离子液体与电极组分对于离子凝胶电驱动器的性能影响，结果表明，产生*大应变比单壁碳纳米管驱动器大1.8～2.5倍，且获得了较快的响应速度。随后，Terasawa等采用非活性的MWCNT和氧化钌电极研制了离子凝胶电驱动器，结果表明，氧化钌与MWCNT满足大应变与快速响应，驱动器的性能远远优于单壁碳纳米管作为电极的驱动器。为了进一步增强离子凝胶电驱动器的驱动效果，同年，Terasawa等采用二氧化锰MWCNT制造了离子凝胶电驱动器，对比发现双电层电容远大于氧化钌电极的驱动器与单壁碳纳米管的驱动器。Liu等制备离子凝胶电驱动器，观察了MWCNT电极附近离子的分散，得出离子两端积累的体积诱导弯曲变形的机理。Zhao等研究了一种MWCNT与离子液体的凝胶电驱动器，实验对其电机械与电化学特性进行研究。实验结果说明，提高MWCNT在电极材料的浓度，可以有效地改善电机械效率。