近年來,能將溫度、pH、光、磁場等外部刺激轉(zhuǎn)化為機(jī)械變形的軟體驅(qū)動器,由于其在醫(yī)療、仿生器件和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用,引起了研究人員的極大關(guān)注。與傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)相比,軟體驅(qū)動器能夠響應(yīng)外界環(huán)境的變化而發(fā)生形變。然而目前為止,大多數(shù)軟體驅(qū)動器的尺寸都是毫米級或者更大,無法應(yīng)用于細(xì)胞支架、微操縱器、微型機(jī)器人等領(lǐng)域中。因此,尺寸在微米級別的軟體驅(qū)動器具有重要的研究意義。制備微型軟體驅(qū)動器對于材料的選擇和驅(qū)動設(shè)計是一個巨大的挑戰(zhàn)。本文利用雙光子3D打印技術(shù),以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGda）單體為原料,制備了一種具有雙層結(jié)構(gòu)的微型軟體驅(qū)動器。PEGda水凝膠可以通過吸收水分子發(fā)生膨脹,以膨脹率高的PEGda水凝膠為響應(yīng)層,膨脹率低的PEGda水凝膠為被動層,PEGda雙層結(jié)構(gòu)在浸入水中后就會因?yàn)榕蛎洸幌嗟榷l(fā)生彎曲,成為水響應(yīng)的微型軟體驅(qū)動器。研究內(nèi)容分為以下三個部分:一、PEGda水凝膠微結(jié)構(gòu)的制備。以PEGda單體為原料,水為溶劑,曙紅B為引發(fā)聚合的光敏劑,混合后制備了可用于雙光子3D打印的光刻膠。研究了激光功率和直寫速率對PEGda水凝膠打印性能的影響。二、影響PEGda水凝膠膨脹... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

仿生章魚軟體機(jī)器人

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文2驅(qū)動時間較長等問題。圖1-2水凝膠軟體驅(qū)動器1.1.2軟體驅(qū)動器的驅(qū)動方式和機(jī)理根據(jù)提供能量來源的不同，軟體驅(qū)動器的驅(qū)動方式主要包括流體驅(qū)動、溫差驅(qū)動、光驅(qū)動、電磁驅(qū)動、化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動以及不常見的細(xì)胞驅(qū)動等。流體驅(qū)動包括氣體驅(qū)動和液體驅(qū)動，是指在驅(qū)動結(jié)構(gòu)中通過充氣或者蒸氣和液體流入結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動器發(fā)生變形和運(yùn)動的一類驅(qū)動器。如圖1-3a所示，Shepherd等人[13]發(fā)明了一種利用四足氣動式爬行驅(qū)動器。四足驅(qū)動器分為上面的共聚酯彈性層和下面的聚二甲基硅氧烷(PDMS)限制層。彈性層是做成氣動網(wǎng)的形狀，后端連接有通氣管，氣泵充氣后，彈性層發(fā)生膨脹，而限制層體積不變從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使機(jī)器人向前爬行運(yùn)動。該軟體機(jī)器人質(zhì)量輕、驅(qū)動力強(qiáng)的特點(diǎn)。吉林大學(xué)的韓冬冬等人[14]利用石墨烯制備了一種濕度驅(qū)動的軟體驅(qū)動器，首先利用紫外光照射氧化石墨烯(RO)紙的表面，控制照射時間和光強(qiáng)，使RO表面形成一定厚度的還原氧化石墨烯(RGO)層，RO相比于RGO具有很強(qiáng)的吸水性，所以濕度增大后，RO層的膨脹大于RGO的膨脹從而產(chǎn)生彎曲變形。通過紫外光照射不同的區(qū)域，就能制造出可以產(chǎn)生復(fù)雜變形的石墨烯軟體驅(qū)動器。溫差驅(qū)動軟體機(jī)器人通常是以溫度響應(yīng)性水凝膠為材料，這種材料在低溫和高溫時具有不同的膨脹率，所以當(dāng)溫度變化時，雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠就會因?yàn)榕蛎洸煌a(chǎn)生內(nèi)驅(qū)動力，從而發(fā)生變形和運(yùn)動。其中最典型的溫度響應(yīng)性水凝膠就是聚N-異丙基丙烯酰胺(pNIPAm)，其在低溫時膨脹，高溫時收縮，臨界溫度大概在32℃左右。北京化工大學(xué)的YuCheng等人

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文4動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高。光驅(qū)動是一種簡單、遠(yuǎn)程的驅(qū)動方式，缺點(diǎn)是響應(yīng)時間較長。溫差驅(qū)動是一種簡單無害的驅(qū)動方式，驅(qū)動能量來源易于獲得，缺點(diǎn)是響應(yīng)時間較長，且溫度不容易精確控制。電磁驅(qū)動是目前最常用的驅(qū)動方式，具有高效、精確和驅(qū)動持續(xù)時間長等優(yōu)點(diǎn)，也是未來最有可能投入實(shí)際應(yīng)用的驅(qū)動方式，有巨大的應(yīng)用前景。圖1-3不同驅(qū)動方式的軟體驅(qū)動器(a)氣體驅(qū)動；(b)溫差驅(qū)動；(c)細(xì)胞驅(qū)動；(d)化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動；(e)光驅(qū)動；(f)電流驅(qū)動。1.1.3軟體驅(qū)動器的微型化以上例子所述的軟體驅(qū)動器的尺寸都較大(毫米級以上)，隨著材料技術(shù)和加工制備技術(shù)的不斷發(fā)展，軟體驅(qū)動器的微型化研究越來越受到重視。微型軟體驅(qū)動器的尺寸一般在微米范圍內(nèi)，這種尺寸下的軟體驅(qū)動器所需驅(qū)動能量小，驅(qū)動響應(yīng)速度快。在某些特殊環(huán)境下，例如在血管中或者微小的腔道中，微型軟體驅(qū)動器的作用是不可替代的。德國馬普智能系統(tǒng)研究所的MetinSitti等人[26]在《Nature》上發(fā)表了一種可以在血管內(nèi)攀爬、旋轉(zhuǎn)和跳躍的微型軟體驅(qū)動器(圖1-4a)，其主體材料是硅彈性體，負(fù)責(zé)驅(qū)動器的變形和運(yùn)動，硅彈性體里摻雜了具有磁性的汝鐵硼微顆粒，然后利用模板法制備出特定的形狀，就可以在精確地磁場控制下完成各種復(fù)雜的運(yùn)動。此外，該微型驅(qū)動器能夠通過磁場控制完成對藥物的包裹是釋放過程，在藥物輸送領(lǐng)域開辟了新的方向。韓國全南國立大學(xué)的研究人員[27]以響應(yīng)性水凝膠為材料，


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