基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮的製作方法

2023-06-03 19:43:36 1

基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮的製作方法
【專利摘要】本發明涉及工程仿生【技術領域】，具體涉及一種基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撐座、硬化導電層、柔性樹脂層、柔性導電層、光滑橡膠層和人工肌肉伸縮單元，其中人工肌肉伸縮單元包括形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導線。與現有技術相比，本發明以形狀記憶合金人工肌肉模仿海豚皮膚結構中的彈性乳突，利用其獨特的材質特性即受自身轉變溫度驅使所呈現出的雙程記憶效應來實現仿生海豚皮的凸包型或凹坑型形變，其彈性工作機制更為靈敏、可控，在結構和功能仿生方面為工程仿生技術特別是仿生減阻表皮製造技術的發展提供了有益範例。
【專利說明】基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種仿生海豚皮，更特別地說，是指一種基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，屬於工程仿生【技術領域】。
【背景技術】
[0002]有效降低航行器的表面阻力以提高速度、機動性、續航力以及燃料利用效率，對於國民經濟和國防安全具有重要意義。海豚、鯊魚、金槍魚等高遊速水下生物無疑為人類提供了極為寶貴的工程仿生範本，有針對性地研發低阻、高效的仿生減阻表皮成為當前的研究熱點和難點。
[0003]海豚是海洋中的遊泳冠軍，時速可達70?100千米。早在1936年，英國科學家Gray就發現海豚的遊速已遠遠超出其肌肉力量的限度，進而提出著名的「格雷悖論」。研究發現，海豚之所以遊得快，除了具有流線型身體外，更重要的是它特殊的彈性皮膚結構能產生類似消振器一樣的「自適應表面」。海豚的皮膚分為三層，最外面的表皮層是薄而光滑的角質膜，中間是真皮層，分布著許多富有彈性的管狀乳突，乳突裡充滿海綿狀物質，乳突間是血液或體液，最裡層是稠密的膠原纖維和彈性纖維，其間充滿了脂肪。當海豚快速遊動時，隨著水阻力的增加，真皮層的微小乳突能承受很大的壓力，且其形狀和彈性可使海豚皮膚由光滑態逐漸起伏為一定的非光滑態，可以改變層流附面層的邊界條件，使邊界柔順化，減小邊界面的流速梯度和剪切力，防止或減緩湍流的產生，從而降低遊動阻力。科學家目前仿製出的「人造海豚皮」由三層橡膠組成，總厚度2.5 mm，其中模仿海豚表皮層的平滑外層厚0.5 mm，中層有橡膠乳頭以模仿海豚的真皮層，其間充滿了粘滯性液態矽樹脂，下層是厚
0.5 mm與船體接觸的支持板。減阻試驗結果表明，它可以使魚雷和潛艇在海水中的運動阻力減少50%。但這類人造海豚皮在對海豚皮生物原型特殊、複雜結構的模仿上仍處較低水平，尤其是在對海豚乳突動態變形結構的模仿上僅是用簡單的橡膠乳頭來替代，在結構和功能仿生方面顯然仍有較大的提升空間。
[0004]人工肌肉是近幾十年問世的一種新型智能材料，它能夠在外加電場、環境溫度或酸鹼度的作用下，通過材料內部結構的改變而伸縮並產生力的作用，具有和生物肌肉十分相似的機能。目前已研發出的人造肌肉材料涉及聚合物、金屬、凝膠以及碳納米管等，其中形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡稱SMA)是當前應用較為普遍的人工肌肉材料之
一。SMA是一種能夠記憶原有形狀的智能材料，當溫度低於其轉變溫度時將其人為變形，則當溫度高於其轉變溫度時其可自動恢復到變形前形狀，且具有雙程記憶效應的SMA可在重新冷卻至轉變溫度以下時又能回復到其低溫相形狀。形狀記憶合金人工肌肉充分利用了SMA這種獨特的雙程形狀記憶效應，利用外來熱源控制其溫度在轉變溫度上下轉換，從而使其不斷在低溫相與高溫相之間往復變形，進而展現出類似肌肉伸縮的較大力量，從而實現某種力的功能。

【發明內容】
[0005]本發明的目的在於，提供一種基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，以解決上述技術問題。
[0006]本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現:基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於，包括支撐座、硬化導電層、柔性樹脂層、柔性導電層、光滑橡膠層、人工肌肉伸縮單元，所述支撐座用於支撐並將仿生海豚皮安裝固定於載體外殼壁面，所述硬化導電層的下表面與支撐座上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層的下表面相膠合，所述柔性樹脂層上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室，所述柔性導電層的下表面與柔性樹脂層的上表面相膠合，其上表面與光滑橡膠層的下表面相膠合，若干數量的人工肌肉伸縮單元對應穿過柔性樹脂層上的伸縮室呈陣列化豎直排布於硬化導電層和柔性導電層之間，所述人工肌肉伸縮單元包括形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導線，形狀記憶合金人工肌肉簧的一端在保持與硬化導電層絕緣的同時與支撐座固定連接，另一端在與柔性導電層絕緣的同時與牽拉頭固定連接，藉由可伸縮連接導線串聯起來的兩段式電加熱棒中的一段與硬化導電層做導電連接，另一段與柔性導電層做導電連接，牽拉頭的底面與柔性導電層的上表面相膠合，牽拉頭的其餘面與光滑橡膠層下表面所開設的若干牽拉孔相對應固定連接。
[0007]所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，自然狀態下柔性樹脂層的厚度是3.0 mm?5.0 mm,光滑橡膠層的厚度是1.5 mm?2.0 mm。
[0008]所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，陣列化排布的人工肌肉伸縮單元之間的間距是15.0 mm?20.0 mm。
[0009]所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，製作形狀記憶合金人工肌肉簧所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金，其轉變溫度範圍為45°C?95°C。
[0010]所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，製作形狀記憶合金人工肌肉簧時，先在溫度高於其轉變溫度時加工成高度為3.0 mm?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於轉變溫度時將其人為變形成高度為1.5 _?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，則實際應用過程中仿生海豚皮將呈現凸包型變形。
[0011]所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，製作形狀記憶合金人工肌肉簧時，先在溫度高於其轉變溫度時加工成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於轉變溫度時將其人為變形成高度為3.0 _?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，則實際應用過程中仿生海豚皮將呈現凹坑型變形。
[0012]所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，牽拉頭的形狀是圓柱形、錐臺形、球形，牽拉頭水平方向上的直徑尺寸是1.0 mm?1.2 mm。
[0013]本發明的工作原理為:在環境溫度低於所用形狀記憶合金轉變溫度的工況下，將該仿生海豚皮安裝於水下航行器載體外殼壁面，在載體航行過程中通過採集水溫、航行速度、水密度、動力粘度等參數計算當前工況下的雷諾數以判斷水流狀態；當水流達到湍流時，給硬化導電層和柔性導電層通電以加熱兩段式電加熱棒，使得形狀記憶合金人工肌肉簧快速升溫至其轉變溫度以上，進而形狀記憶合金人工肌肉簧基於自身材質特性將自行在柔性樹脂層伸縮室內開始變形，且該形變將以形狀記憶合金人工肌肉簧在低於其轉變溫度下所呈現的彈簧形態為依據，或由短粗型變為瘦長型，或由瘦長型變為短粗型；形狀記憶合金人工肌肉簧的上述形變將帶動人工肌肉伸縮單元的牽拉頭牽拉其附近的光滑橡膠層，使得每個人工肌肉伸縮單元附近的光滑橡膠層、柔性導電層和柔性樹脂層依次產生彈性變形，最終在每個人工肌肉伸縮單元上方的光滑橡膠層上形成凸包型或凹坑型非光滑表面；在此情形下，仿生海豚皮的光滑橡膠層、柔性樹脂層以及若干人工肌肉伸縮單元分別模仿了真實海豚皮的非光滑態表皮層、柔性真皮層以及真皮層內的彈性乳突，三者的共同作用將減小邊界面的流速梯度和剪切力，有效減緩湍流的危害，從而大大降低載體航行器的航行阻力；當不需要仿生海豚皮發揮減阻作用時，則停止供電以使形狀記憶合金人工肌肉簧逐漸降溫至環境溫度(該環境溫度必然低於轉變溫度)，則形狀記憶合金人工肌肉簧在雙程記憶效應驅使下自動恢復至其低溫相形態，帶動仿生海豚皮亦恢復原狀，從而完成整個減阻作業。
[0014]本發明與現有技術相比，具有如下優點:(1)本發明以形狀記憶合金人工肌肉模仿海豚皮膚結構中的彈性乳突，利用其獨特的材質特性即受自身轉變溫度驅使所呈現出的雙程記憶效應來實現仿生海豚皮的凸包型或凹坑型形變，其彈性工作機制更為靈敏、可控；
(2)本發明採用的壓縮彈簧型形狀記憶合金人工肌肉簧設計，在一定程度上較其他形狀更能消抵日常應用過程中外力對仿生海豚皮的觸碰和擠壓，從而起到有效的自我防護作用；
(3)本發明以柔性樹脂層模仿海豚皮膚結構中的真皮層，不僅在工作機制上較其他材料更為形象、逼真，而且在使用壽命上比其他材料更為耐久、可靠；(4)本發明基於形狀記憶合金人工肌肉所製作出的仿生海豚皮，在結構和功能仿生方面為工程仿生技術特別是仿生減阻表皮製造技術的發展提供了有益範例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮外觀結構圖。
[0016]圖2為本發明的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮內部結構分層解剖圖。
[0017]圖3為本發明的人工肌肉伸縮單元結構示意圖。
[0018]圖4為本發明的柔性樹脂層結構示意圖。
[0019]圖5為本發明的光滑橡膠層仰視結構示意圖。
[0020]圖6A為本發明的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮凸包型變形示意圖。
[0021]圖6B為本發明的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮凹坑型變形示意圖。
[0022]圖中:1、支撐座2、硬化導電層3、柔性樹脂層4、柔性導電層5、光滑橡膠層6、人工肌肉伸縮單元7、形狀記憶合金人工肌肉簧8、連接導線9、牽拉頭10、兩段式電加熱棒11、伸縮室12、牽拉孔13、微凸包14、微凹坑。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合附圖和具體實施例進一步闡述本發明。
[0024]參照圖1?圖5，基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撐座1、硬化導電層2、柔性樹脂層3、柔性導電層4、光滑橡膠層5、人工肌肉伸縮單元6 ;支撐座I用於支撐並將仿生海豚皮安裝固定於載體外殼壁面，硬化導電層2的下表面與支撐座I上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層3的下表面相膠合，柔性樹脂層3自然狀態下的厚度為5.0 mm,其上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室11，所述柔性導電層4的下表面與柔性樹脂層3的上表面相膠合，其上表面與厚度為2.0 mm的光滑橡膠層5的下表面相膠合；若干數量的人工肌肉伸縮單元6對應穿過柔性樹脂層3上的伸縮室11呈陣列化豎直排布於硬化導電層2和柔性導電層4之間，且陣列化排布的人工肌肉伸縮單元6之間的間距是20.0 mm ;人工肌肉伸縮單元6包括形狀記憶合金人工肌肉簧7、牽拉頭9、兩段式電加熱棒10和連接導線8，形狀記憶合金人工肌肉簧7的一端在保持與硬化導電層2絕緣的同時與支撐座I固定連接，另一端在與柔性導電層4絕緣的同時與直徑為1.0 mm的圓柱形牽拉頭9固定連接，藉由可伸縮連接導線8串聯起來的兩段式電加熱棒10中的一段與硬化導電層2做導電連接，另一段與柔性導電層4做導電連接，牽拉頭9的底面與柔性導電層4的上表面相膠合，牽拉頭9的其餘面與光滑橡膠層5下表面所開設的若干牽拉孔12相對應固定連接。
[0025]具體實施例一:參照圖1、圖2和圖6A，製作形狀記憶合金人工肌肉簧7所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金，其轉變溫度為55°C。在製作形狀記憶合金人工肌肉簧7時，先在溫度高於55°C時加工成高度為5.0 _的瘦長型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於55°C時將其人為變形成高度為2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀。
[0026]擬將該仿生海豚皮應用於常年在近海活動的某型摩託艇上(艇長3.2 m)，仿生海豚皮的鋪設長度為2.0 m。首先，按照該型摩託艇通常工作環境(海水水溫20°C，密度為
1.025X IO3 kg/m3、動力粘度為1.002X10_3 kg/m *s)下的設計最低巡航速度7 m/s計算該工況下仿生海豚皮的雷諾數:
【權利要求】
1.基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於，包括支撐座(I)、硬化導電層(2)、柔性樹脂層(3)、柔性導電層(4)、光滑橡膠層(5)、人工肌肉伸縮單元(6)，所述支撐座(I)用於支撐並將仿生海豚皮安裝固定於載體外殼壁面，所述硬化導電層(2)的下表面與支撐座(I)上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層(3)的下表面相膠合，所述柔性樹脂層(3)上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室(11)，所述柔性導電層(4)的下表面與柔性樹脂層(3)的上表面相膠合，其上表面與光滑橡膠層(5)的下表面相膠合，若干數量的人工肌肉伸縮單元(6)對應穿過柔性樹脂層(3)上的伸縮室(11)呈陣列化豎直排布於硬化導電層(2)和柔性導電層(4)之間，所述人工肌肉伸縮單元(6)包括形狀記憶合金人工肌肉簧(7)、牽拉頭(9)、兩段式電加熱棒(10)和連接導線(8)，形狀記憶合金人工肌肉簧(7)的一端在保持與硬化導電層(2)絕緣的同時與支撐座(I)固定連接，另一端在與柔性導電層(4)絕緣的同時與牽拉頭(9)固定連接，藉由可伸縮連接導線(8)串聯起來的兩段式電加熱棒(10)中的一段與硬化導電層(2)做導電連接，另一段與柔性導電層(4)做導電連接，牽拉頭(9)的底面與柔性導電層(4)的上表面相膠合，牽拉頭(9)的其餘面與光滑橡膠層(5)下表面所開設的若干牽拉孔(12 )相對應固定連接。
2.根據權利要求1所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:自然狀態下柔性樹脂層(3)的厚度是3.0 mm?5.0 mm,光滑橡膠層(5)的厚度是1.5 mm?2.0 mm。
3.根據權利要求1所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:陣列化排布的人工肌肉伸縮單元(6)之間的間距是15.0 mm?20.0 mm。
4.根據權利要求1所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:製作形狀記憶合金人工肌肉簧(7)所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金，其轉變溫度範圍為45°C?95°C。
5.根據權利要求1所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:製作形狀記憶合金人工肌肉簧(7)時，先在溫度高於其轉變溫度時加工成高度為3.0 mm?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於轉變溫度時將其人為變形成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，則實際應用過程中仿生海豚皮將呈現凸包型變形。
6.根據權利要求1所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:製作形狀記憶合金人工肌肉簧(7)時，先在溫度高於其轉變溫度時加工成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於轉變溫度時將其人為變形成高度為3.0 mm?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，則實際應用過程中仿生海豚皮將呈現凹坑型變形。
7.根據權利要求1所述的基於形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:牽拉頭(9)的形狀是圓柱形、錐臺形、球形，牽拉頭(9)水平方向上的直徑尺寸是1.0 mm?1.2mmD
【文檔編號】B63B1/32GK103818517SQ201410107754
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2014年3月24日
【發明者】韓鑫, 靳印凱, 陳亮亮, 邱先慧 申請人:山東理工大學