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上海交大杨广中教授开发基于形状记忆合金智能软复合材料的微型驱动器

当前软材料、新的制备技术以及连续驱动的研究不断取得新进展 ， 为微型机器人的研究和发展带来新的动能 。 微致动器用于处理精细的物体而不损害目标有一系列的应用 。 特别是 ， 软执行器已经被用于各种应用 ， 如仿生机器 ， 人工肌肉 ， 医疗器械 ， 和仿生夹持器 。 这些已经缩小到微/毫米大小 ， 以满足不同的应用需求 。 这种装置还可用于需要精细操作的应用 ， 如显微外科手术或小规模生物样本的研究 。 某些合金的形状记忆效应因其工作密度高、驱动机制简单而成为一种有前途的小尺度驱动机制 。 然而 ， 对于亚毫米器件 ， 形状记忆合金作动器由于制作工艺的限制 ， 难以实现复杂的大位移 。
上海交通大学杨广中教授提出了一种基于双光子聚合的小型化柔性复合材料致动器的制作方案 。 变形模式可以通过改变支架层合的方向来改变 。 此外 ， 驱动器是通过在驱动器内部沉积的碳纳米管层的局部电阻加热来控制的 。 微驱动器设计可产生390μN的力 ， 实现高达80°的弯曲角度 ， 并展示了使用单臂和双臂装置来提起与抓取物体的能力 。 该研究成果以“MicrotentacleActuatorsBasedonShapeMemoryAlloySmartSoftComposite”为题发表在国际著名期刊AdvancedFunctionalMaterials上 。
上海交大杨广中教授开发基于形状记忆合金智能软复合材料的微型驱动器
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在基于海量SMA的软机器人执行机构的开发中 ， 研究了SMA嵌入复合材料结构 ， 即智能软复合材料(smartsoftcomposite,SSC) ， 以实现更大的弯曲位移和更复杂的执行机构运动 。 将SMA线嵌入层压复合材料结构中 ， 具有更大的韧性 ， 当复合材料具有定向力学性能时 ， 可编程弯曲或弯曲扭转运动 。
本研究的目的是提出一种使用2PP（双光子聚合）工艺制作小规模固态开关执行器的技术 。 通过采用宏观尺度的结构设计 ， 该几何结构克服了目前基于智能器件的低驱动范围和驱动灵活性 。 为了获得致动器内部的局部电加热效应 ， 开发了一种基于碳纳米管(CNT)的电阻层 ， 它被应用于两根SMA导线之间 。 执行机构只需要电连接 ， 不需要连接到用于肌腱驱动或气动驱动的笨重的直线通道上 ， 从而减少了最终设备的占地面积 。
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图1此项研究中微型软驱动器的设计原理与工作机制
为了验证了该方法的优点 ， 设计、制造具有毫米级的触手致动器和集成软,卫星机器触手组成的两个执行机构能够把握毫米级的对象(图1) 。 原理图设计和微型触手致动器的驱动机制如图1所示 。 该SSC结构主要由两部分组成:主动部分用SMA产生驱动 ， 被动部分用主动部分驱动时产生弯曲和扭转 。 这两种成分通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质紧密结合在一起 ， 为结构提供了弹性 。 脚手架由多层组成 ， 每一层由平行排列的多个框架组成 。 为产生出平面外弯曲运动 ， 将SMA线埋入偏心位置 。 该支架具有各向异性的结构 ， 旨在影响弯曲和扭转运动 。 在温度刺激下 ， SMA导线因SME而收缩 ， 引起结构的弯曲运动 。 相反 ， 当SMA线冷却到马氏体起始温度以下时 ， 由于复合结构的弹性 ， SMA线会向后伸长以恢复其初始状态 。 由于SMA驱动机构不需要肌腱或通道来提供驱动能量 ， 而只需要电线来进行焦耳加热 ， 因此可以大大简化末端执行器的设计 。
所述微致动器的制作过程如图2a所示 。 制造过程包括四个主要步骤;打印支架 ， 嵌入SMA导线 ， 沉积CNT层 ， 涂PDMS 。
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图2-制备过程示意图
第一步:打印支架:采用2PP工艺制作支架结构 。 单个框架的厚度为10希米 ， 框架之间的距离也为10希米 。 SSC结构的框架方向可以在0度到90度之间变化 。 在支架上以中心距100像素打印两个30像素的半圆切口 。 这为放置两根SMA线提供了校准 。 打印支架的详细尺寸也在图2b中描述 。
第二步:嵌入SMA丝:两个SMA丝25μm纤维直径精心排列的半圆柱形凹槽图案印刷脚手架和预应变张力挂10g的重量最终线最大化驱动通过SME. 。 然后用聚酰亚胺胶带将导线固定在衬底的外围 。 将带SMA线的打印结构装入DLW打印机进行封面打印 。 将凹槽上的SMA线覆盖上第二套2PP工艺印刷的块 ， 将其夹紧到位 。
第三步:沉积CNT层:利用羧甲基纤维素(CMC)作为表面活性剂分散在水中的CNTs ， 实现两根SMA导线间的折中连接 。 将整个触须结构浸入CNT溶液中 ， 然后慢慢取出 。 然后在环境条件下保持30分钟干燥 。 这导致涂层与SMA电线相比具有高电阻 ， 可以承受高电流密度 。
第四步:涂覆PDMS:将结构作为整体结构的基体材料 ， 采用PDMS蘸涂的方式进行涂覆 。 PDMS将形状记忆合金线和支架结构牢固地结合在一起 ， 以防止CNT层与整个结构的分层 。 它还提供弹性和控制设备的刚度 。
在本研究中 ， 提出了一种制造软体机器人的小型SSC结构的新方法 。 采用2PP工艺在微支架中嵌入SMA线和微米级的阻性碳纳米管层 ， 制备了柔性微致动器 。 支架的各向异性设计增强了机器人的变形行为 ， 允许复杂的平面外驱动 。 夹具与对象交互的能力是由其偏转距离与执行器长度的比较来定义的 。 通过引入SSC结构和由2PP实现的复杂模式 ， 可以优化这个比例 。
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图3-微驱动器操控物体的能力：可单臂提起物体 ， 双臂抓取并提起物体（物体重量80mg）与抓取黄蜂 ， 并不会对抓取物带来任何的损伤
在本研究中 ， SMA丝通过3D打印技术直接嵌入预紧条件下的结构中 ， 使SMA丝和SSC基体的应变最大 ， 从而产生较大的弯曲变形 。 这种直接嵌入方法增加了致动器的变形能力 ， 但由于采用了通过CNT层的间接加热方法 ， 从而降低了致动速度 。 因此 ， 该驱动器的频率比其他基于SMA的小型SMA驱动器要低 ， 可以达到几个kHz的驱动器速度 。
【上海交大杨广中教授开发基于形状记忆合金智能软复合材料的微型驱动器】在灵活性方面 ， 基于形状记忆合金的驱动器比其他小型机器人驱动机构 ， 如气动、压电、光响应和化学响应方法的性能更低 。 但SMA驱动器的优势在于形状记忆合金提供了高的工作密度 ， 可以提供足够的力来有效地处理小物体 。 与其他驱动技术(如电场、气动和热基驱动方法)相比 ， 本研究提出的装置可以在不附加任何庞大通道的情况下 ， 与其他类似长度的驱动器产生相似范围的阻塞力 。 就可持续性而言 ， 所提出的方法已证明能够承受结构上的巨大破坏 。 此外 ， 镍钛合金在一般情况下可以保持SME超过105个循环 ， 而在其他研究中基于形状记忆合金的软执行器的循环试验显示 ， 在数十个驱动循环中 ， 其驱动性能没有下降 。
最后 ， 展示了执行器在抓取和操纵小规模物体方面的性能 。 将软致动器集成到机器人系统中可以为组织操纵深部病变提供潜在应用 ， 用于显微外科手术或处理小规模生物材料和细胞 。
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