【摘 要】
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由于近来软机器人技术的兴起,软驱动器已经引起了极大的研究关注。但是,这些驱动器只能执行相对简单的变形以进行操纵,限制了驱动器的功能多样化。由于材料和工艺的限制,它们仍不能满足低驱动电压、响应快和大变形的高性能驱动器的要求,限制了它们在人造肌肉、爬行机器人、传感器及微纳米机电系统等领域的应用。因此,迫切需要开发具有低驱动电压、响应时间短、大变形、成本低并且功能多样的软驱动器。此外,作为电热软驱动器的
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由于近来软机器人技术的兴起,软驱动器已经引起了极大的研究关注。但是,这些驱动器只能执行相对简单的变形以进行操纵,限制了驱动器的功能多样化。由于材料和工艺的限制,它们仍不能满足低驱动电压、响应快和大变形的高性能驱动器的要求,限制了它们在人造肌肉、爬行机器人、传感器及微纳米机电系统等领域的应用。因此,迫切需要开发具有低驱动电压、响应时间短、大变形、成本低并且功能多样的软驱动器。此外,作为电热软驱动器的核心,通过焦耳加热将电能转化为热能的加热器已用于家庭和工业应用的各个领域,特别是在可穿戴电子设备、热理疗等领域有广泛应用的柔性和可拉伸加热器。但是这些加热器不能自动变形以贴附复杂的曲面,使加热器的实际应用受到限制。在本文中,结合驱动器的大变形和加热器的高性能加热,对能够抓取和加热曲面的软机器人加热器进行了研究。总结如下:(1)基于电热驱动机理,开发了具有高效加热和形状适应性的软机器人加热器。通过采用具有优异导电性(1.21×10 S/cm)和延展性(119%)的特意合成的导电复合材料,以及在加热时热膨胀有显著差异的PDMS和PI层,制备了软机器人加热器。U型软机器人加热器在2V低电压下具有4.0cm的曲率和大于860°的变形角,而且在6s内曲率可以快速达到1.31cm。此外,该器件在变形的同时还可以充当温度为203°C的稳定热源,作为加热器具有7.44%的能量效率。实现了软机器人加热器低驱动电压、大幅度变形、快速响应的功能要求。(2)软机器人加热器不仅可以在极低的驱动电压下实现大而灵敏的变形,而且还可以通过包围表面来抓取和加热三维(3D)曲线表面的物体。更重要的是,软机器人加热器除了将具有3D曲线表面的物体包裹住外,还能在加热器和物体之间产生接触压力以实现紧密接触,从而实现更有效的热传递。通过加热圆木棍和含水玻璃瓶,演示了软机器人加热器的应用。通过图案化设计,还开发了可以分别加热洋葱圈和鹌鹑蛋的四指和八指软机器人加热器。研究结果表明,这些制造简单、变形可控及能够加热具有不规则表面的物体的软机器人加热器,可用于软机器人、先进的热理疗、食品处理和加工等应用。
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