基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮的製作方法

2023-06-03 19:40:06

基於電活性聚合物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】，具體涉及一種基於電活性聚合物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一定數量的電活性聚合物人工肌肉束和牽拉頭。與現有技術相比，本發明以電活性聚合物人工肌肉模仿海豚皮膚結構中的彈性乳突，利用其通電收縮狀態下所展現出的和生物肌肉十分相似的機能來模擬海豚皮膚乳突的生物機能，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】基於電活性聚合物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，是指一種基於電活性聚合物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，其中電活性聚合物(又稱電致聚合體，簡稱EAP)是當前應用較為普遍的人工肌肉材料之一。這種人工肌肉是把內部注入特殊液體的管狀粘合性導電塑料集束成肌肉一樣的複合體，通電時導電性高分子可在溶液中釋放出離子，進而在直流電場刺激下自行完成較大幅度伸縮動作，因而具備作為微型機械中電致動器基礎材料的特質，具有成本低、可靠性和可操作性強等特點。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於，提供一種基於電活性聚合物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:基於電活性聚合物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一定數量的電活性聚合物人工肌肉束和牽拉頭，電活性聚合物人工肌肉束的一端連接硬化導電層，另一端連接柔性導電層和牽拉頭，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]所述的基於電活性聚合物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]所述的基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，自然狀態下電活性聚合物人工肌肉束的長度是3.0 mm?5.0 mm，通電收縮後電活性聚合物人工肌肉束的長度是1.5mm ?2.5 mmD
[0009]所述的基於電活性聚合物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10.0 mm?15.0 mm。
[0010]所述的基於電活性聚合物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。
[0011]本發明的工作原理為: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施加一定強度的直流電，以刺激電活性聚合物人工肌肉束在柔性樹脂層的伸縮室內產生大幅度可控收縮，進而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微凹坑型非光滑表面；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，則停止供電即可，此時電活性聚合物人工肌肉束自動恢復原狀，帶動仿生海豚皮亦恢復原狀，從而完成整個減阻作業。
[0012]本發明與現有技術相比，具有如下優點:(1)本發明以電活性聚合物人工肌肉模仿海豚皮膚結構中的彈性乳突，利用其通電收縮狀態下所展現出的和生物肌肉十分相似的機能來模擬海豚皮膚乳突的生物機能，其彈性工作機制更為靈敏、可控；(2)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；(3)本發明基於電活性聚合物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】
[0013]圖1為本發明的基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮外觀結構圖。
[0014]圖2為本發明的基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮內部結構分層解剖圖。
[0015]圖3為本發明的人工肌肉伸縮單元結構示意圖。
[0016]圖4為本發明的柔性樹脂層結構示意圖。
[0017]圖5為本發明的光滑橡膠層仰視結構示意圖。
[0018]圖6為本發明的基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮變形示意圖。
[0019]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、牽拉頭8、電活性聚合物人工肌肉束9、伸縮室10、牽拉孔11、微凹坑。
【具體實施方式】
[0020]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。
[0021]參照圖1~圖5，基於電活性聚合物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9，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9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之間的間距是15.0 mm ;人工肌肉伸縮單元6包括3束電活性聚合物人工肌肉束8和直徑為1.2 mm的圓柱形牽拉頭7，電活性聚合物人工肌肉束8的一端連接硬化導電層2，另一端連接柔性導電層4和牽拉頭7，牽拉頭7的底面與柔性導電層4的上表面相膠合，牽拉頭7的其餘面與光滑橡膠層5下表面所開設的若干牽拉孔10相對應固定連接。
[0022]參照圖1、圖2和圖6，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 103 kg/m3、動力粘度為1.002X IO^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.基於電活性聚合物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(9)，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(9)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)包括一定數量的電活性聚合物人工肌肉束(8)和牽拉頭(7)，電活性聚合物人工肌肉束(8)的一端連接硬化導電層(2)，另一端連接柔性導電層(4)和牽拉頭(7)，牽拉頭(7)的底面與柔性導電層(4)的上表面相膠合，牽拉頭(7)的其餘面與光滑橡膠層(5)下表面所開設的若干牽拉孔(10)相對應固定連接。
2.根據權利要求1所述的基於電活性聚合物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所述的基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:自然狀態下電活性聚合物人工肌肉束(8)的長度是3.0 mm?5.0 mm，通電收縮後電活性聚合物人工肌肉束(8)的長度是1.5 mm?2.5 mm。
4.根據權利要求1所述的基於電活性聚合物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10.0 mm?15.0 mm。
5.根據權利要求1所述的基於電活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特徵在於:牽拉頭(7)的形狀是圓柱形、錐臺形、球形，牽拉頭(7)水平方向上的直徑尺寸是1.0 mm?1.2mmD
【文檔編號】B63B1/34GK103832541SQ201410107757
【公開日】2014年6月4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