仿生人工肌肉

仿生人工肌肉分类：学科建设|标签：驱动材料聚合物弹性体机械2011-02-1917:11阅读(?)评论(1)自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。20世纪中期,人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性,从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。随着研究的发展,仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。进入21世纪以来,随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点,与肌肉有着极为相似的特性,甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉,被公认为是最合适的仿肌肉材料,称之为/人工肌肉。近二十年来,在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的/人工肌肉研究得以飞速发展ProgressinBiomimeticElectroactivePolymerArtificialMuscles。肌肉是生物学上可收缩的组织,具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能,一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源,人类很早就致力于仿生物肌肉的/人工肌肉研发。上世纪50年代,McKibben首次研制了气动驱动器,并发展成为商业上的McKibben驱动器[1],但是作为人工肌肉材料,McKibben驱动器体积大,而且受到辅助系统的限制。形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料[2],与同时代的驱动材料相比,具有高能量密度和低比重等特点,但同样存在许多不利因素,如形变不可预知性,响应速度慢以及使用尺寸受限等,这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料,其响应速度较形状记忆合金快,但是脆性大,只能获得小于1%的应变[3]。由于受材料的限制,人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段,直到一类新型材料电活性聚合物(Electroactivepolymers,EAP)的出现。EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级,并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大,另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等[4]。EAP的出现给人工肌肉领域以新的冲击,从上个世纪90年代初开始,基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料,其显著特征是能够将电能转化为机械能。EAP开发应用可追溯到1880年,伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变[5]。之后在1925年压电聚合物被发现,但由于应变和做功很小,只被用作传感器[6]。1949年Katchalsky[7]发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀,这是聚合物材料的化学响应性首次被发现。1969[8]年,研究者发现PVDF材料具有较大的压电效应,人们开始把目光投向其它聚合物体系,之后大量具有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。人工肌肉研究最大的发展发生在最近十几年,应变可以达到380%甚至更大的材料已被研制出[9]。随着EAP材料研究的不断深入和发展,其巨大的应用前景已呈现在人们面前。EAP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉,可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化,从而推动微电子机械技术的发展。目前国际上研究目标之一是制造/昆虫0机器人,可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器,可用于制造无噪声的微型舰船。基于此构想,电活性聚合物的第一个商业用途早已实现,但仅作为玩具)))2002年12月,日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼,可以在水中自由地游弋。这是聚合物人工肌肉发展史上的一个里程碑。目前已经被开发的科学应用领域主要有:人机械面、飞行器应用、可控制织物、机器人、医疗等,然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制,电活性聚合物人工肌肉材料可以分为电子型和离子型两大类[10]。电子型即电场活性材料,通过电场以及静电作用(库仑力)驱动,因为驱动体系不需要保持在湿态环境下,也被称为干驱动体系。这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物及液晶弹性体。电致伸缩纸和电致粘弹性弹性体也属于此类,但在本文不做详细说明;离子型聚合物即电流活性材料,包括聚合物电解质凝胶、碳纳米管复合材料、离子聚合物2金属复合材料和导电聚合物,因为体系需在湿态环境下工作,也称湿驱动体系,主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的。由于电子比离子移动的更快些,电子型聚合物的反应时间较短,仅几微秒,其能量密度也较大,并可长时间在空气中运行,而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。然而,长期以来电子聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150MvPm)。由于EAP材料和体系的开发,有些材料或体系的驱动机理已经超越这些分类,于是Otero[11]在2007年SPIE会议上提出新的分类方法,根据其驱动是物理过程还是化学过程分为电机械材料和电化学机械材料。但考虑到这一新的分类还未得到广泛的接受,在此文中作者仍将采用之前广为接受的分类来讨论各类电活性聚合物驱动材料的研究进展。另外,作者将对介电液体凝胶的线形驱动做一些介绍。1电子型人工肌肉电子型EAP通过分子尺寸上的静电力(库仑力)作用使聚合物分子链重新排列以实现体积上各个维度的膨胀和收缩。这种电机械转化是一种物理过程[12],包括两种机制,电致伸缩效应和Maxwell效应。两种机制所产生的应力和应变都与电场的平方成正比。驱动器所产生的应变可能是一种机制所产生,如电介质弹性体,或者是两种机制同时作用,如聚氨酯和接枝弹性体。电致伸缩是由于材料介电性质的改变而引起的应变。电极化与机械应变关系如下,Selectrostriction=-QEo2(Er-1)2E2(1)Selectrostriction表示电致伸缩所导致的纵向应变,即在膜厚方向的应变,Q是电致伸缩系数,Eo是真空介电常数,Er是相对介电常数,E是电场强度。介电常数E,由真空介电常数和相对介电常数相乘所得(E=EoEr)。若要发生电致伸缩现象,材料结构中必须含有结晶区域。当材料发生预应变时其介电常数增大则预示着电致伸缩效应出现的可能性。材料的介电常数可通过介电分析仪测得。另外,在电致伸缩聚合物中还发现了一种新的机理,聚合物偶极子的方向改变会引起体积的变化,这就是铁电效应。Maxwell应力是电介质中电场分布发生变化的结果。一种解释认为是电极间相反电荷之间的库仑力。SMaxwell=-sEoErE2P2(2)SMaxwell是膜厚方向上的应变,s是弹性柔量,应力与介电常数成比例。Ma等[13]认为丙烯酸类弹性体的场致应变主要由Maxwell应力导致,因为试验数据和方程式所得结果符合的很好。这种机理在低模量材料比如具有高应变的电介质弹性体中起主要作用。电子型EAP的优点是形变大,但是有一个明显的不利因素,那就是需要很高的电场强度(150MVPm),这就使得驱动电压一般高于1kv,但是由于电流很低,电能消耗较低。111电介质弹性体电介质弹性体是化学交联的软弹性体,可以提供很大的场致应变(10%~100%),而一般哺乳动物的应变为20%左右。电介质弹性体是目前研究人员最为关注的聚合物驱动材料,具有质轻、价廉、噪音小及柔软可塑性强等特点。这类材料通过Maxwell应力产生应变。电介质弹性体驱动器从原理上讲是一个平行板电容器,弹性体膜介于两个平行金属电极之间,类似三明治结构。当在两金属电极上施加上千伏的高压直流电压时,两电极之间产生的静电引力在膜厚方向上挤压弹性体膜,使之在水平方向上扩张,关闭电压,弹性体薄膜恢复原来的形状(见图1)。图1电介质弹性体驱动原理示意图[14]Figure1SchematicsoftheDielectricelastomeractuators电介质弹性体通过两种方式将电能转化为机械能。其一,当电极面积扩大而距离接近时,正负电极的接近伴随着相反电荷的靠近,金属电极间的电势能降低,根据能力守恒定律,降低的电势能转化为机械能;其二,金属电极面积扩大,电极上分布的同种电荷距离增大,同样电荷间电势能降低,电能转化为机械能。电介质弹性体在驱动时体积保持不变,因此平行的电极板将两种转换方式很好的结合,使之能同时发挥最大作用。驱动应力可定义如下[15]:p=EoErE2=EoEr(VPt)2(3)p为驱动应力,V为电压,t为膜厚。应力和场强的平方及介电常数成比例。场强越大,其承载的应力越大,驱动的功效也就越大。因此,要想得到有效的驱动就需要很高的电场,即需要很高的电压。但是,驱动电压过高会限制其在很多方面的应用。在膜比较薄的情况下,高电场可以由低电压得到,但是当膜非常薄时,很难得到大面积的均匀膜。一般膜的厚度为微米级别,需要几千伏的驱动电压。研究人员寻求保持较高的驱动应力而电压尽可能低的方法,其中包括预应变及使用导电纤维作为支架以制备更薄的膜。预应变过程降低了介电常数,但同时提高了击穿场强,其净效应是驱动应力的增加[12]。常用的电介质弹性体为硅树脂和丙烯酸树脂橡胶,这两种弹性体表现出的性能十分接近生物肌肉。两种橡胶都是无定型态,不含结晶态,电机械响应主要是由于Maxwell应力,因为电致伸缩需要材料中含有晶态。测试结果将人们的目光聚焦在两种产品上,CF1921286硅树脂及VHB4910丙烯酸树脂,它们的驱动应变分别达到117%和215%[16]。两种材料的驱动应力都能达到8MPa,能量密度为3JPcm3,最高可达314JPcm3。由于材料的低模量和高击穿场强,使得丙烯酸树脂在高电场下的最大应变可以达到380%[17]。SRI将多层驱动器重叠起来制成柱形弹簧卷驱动器[17],这个驱动器可产生约8MPa的应力,相当于真人肌肉的30倍。驱动器大小与一个手指头相似,可侧向弯曲,形变时能举起1kg重的物体,SRI成功将此驱动器用于六腿机器人FLEX2[18],FLEX2具有类生物的行进步态,速度可达315cmPs。EMPA团队将此柱形弹簧卷用于机器人手臂,在2005年第一次举行的人机手臂角力比赛中与17岁的女中学生角力[19]。电介质弹性体驱动材料的响应速度较快,目前丙烯酸树脂的驱动频率可以达到100Hz,硅树脂可达到1kHz[12]。丙烯酸树脂的机电耦合通常为60%-80%,硅树脂的可以到达90%,远远高于其它电活性聚合物。以上种种优异的性能使它们成为研究最多应用最广的聚合物人工肌肉材料。112压电聚合物压电聚合物的工作原理和超声波换能器中使用的压电陶瓷类似。1880年Curies[20]发现了压电现象,化学键弯曲,导致晶体的结构发生改变,使晶格从矩形变成平行四边形,导致体积的改变,体积的增减将会产生机械力。聚合物压电材料在上世纪20年代就已被发现[6],但由于其所呈现的应变和力相对小,一直未被充分研究和开发,直到聚合物的铁电性被发现。压电聚合物是典型的线性电机械材料,应力和应变与电场和电荷密度成线性关系。研究和商业使用的大部分压电聚合物都是基于极化的铁电聚合物如PVDF和相关的共聚物。113铁电体聚合物1921年,Valasek[21]发现某些材料本身具有电子偶极距,当施加适当的电场后,这个偶极矩会反向,这种性质定义为材料的铁电性质。无机铁电材料在电场的作用下可产生形变,但是变形量远远小于1%,而铁电聚合物材料却可产生高达10%的形变[22]。铁电聚合物可以在空气中,真空以及水下作为驱动器使用。聚偏氟乙烯(PVDF)和它的共聚物是最常用的铁电聚合物。当对PVDF施加电场时,可将无极性A相态转变为极性B相态(见图2a),导致极化方向上的收缩和链方向上的伸长。20世纪90年代中期,张其明[23]及合作者报道了他们的铁电体聚合物PVDF及共聚物,应变可达4%,模量可达1千兆帕,而且应力高达15MPa。压电材料具有线性效应,施加电场则发生应变,挤压材料则产生电压。而铁电材料具有显著的磁滞效应[