【摘要】：在智能化迅速發(fā)展的今天,隨著外界條件改變引發(fā)機械形變的智能微機械器件備受國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。傳統(tǒng)的微機械系統(tǒng)特指機電一體化,用于執(zhí)行、轉(zhuǎn)動等部件以完成指定的動作。隨著材料學(xué)和器件制造方法的快速發(fā)展,基于新型材料的智能響應(yīng)微機械器件應(yīng)運而生,特別是如聚合物,石墨烯等柔性材料在制備智能器件方面具有自身獨特的優(yōu)勢。它們易于加工成型,具有良好的柔韌性,可以操控的方式更加多樣,使其在微型驅(qū)動方面應(yīng)用更加靈活。然而目前國內(nèi)外大多數(shù)研究工作局限于對智能器件的操控方式單一,且所獲得的驅(qū)動器件往往只能完成某一特定的動作,在多功能應(yīng)用方面受到制約。為了解決這一問題,本論文著眼于石墨烯材料,通過添加具有不同響應(yīng)特性的納米粒子,結(jié)合激光局部改性的方法,實現(xiàn)了多場耦合操控器件完成復(fù)雜運動,取得的主要成果如下:(1)等離子體輔助石墨烯光控機器人:將石墨烯氧化物與金納米棒材料進行復(fù)合,提升復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)化效率,降低驅(qū)動閾值,同時通過改變金納米棒的長徑比實現(xiàn)器件波長選擇性的連續(xù)調(diào)控。利用激光局部還原石墨烯氧化物的方法,制備光熱關(guān)節(jié)圖案,進一步調(diào)控關(guān)節(jié)部位復(fù)合材料的光吸收與熱傳導(dǎo)特性,形成“關(guān)節(jié)”部位原位集成,實現(xiàn)了類似肌肉牽拉作用的關(guān)節(jié)彎曲效果。由此設(shè)計制造了仿生蜘蛛、捕蠅草、仿生手部關(guān)節(jié)等概念機器人,并通過光控實驗驗證了對其的可控驅(qū)動。(2)磁場與光場耦合操控的多向爬行機器人:將石墨烯材料與超順磁性四氧化三鐵納米粒子復(fù)合,制備石墨烯磁性復(fù)合智能薄膜,由此制造了磁場與光場耦合操控的多向爬行機器人。利用外界磁場強度及方向變化實現(xiàn)機器人的重心定位;依靠材料自身光響形變實現(xiàn)驅(qū)動爬行,通過磁場、光場的耦合操控實現(xiàn)仿生螃蟹機器人的爬行路徑規(guī)劃。(3)光、濕、磁三場耦合操控的多模式運動機器人:石墨烯氧化物材料具有濕度響應(yīng)特性,結(jié)合光熱脫濕效應(yīng),材料可以在光場、濕度耦合的條件下進行雙向驅(qū)動。再將石墨烯氧化物材料中加入磁性納米粒子,便可以實現(xiàn)光、濕、磁三場耦合操控。為實現(xiàn)石墨烯磁性復(fù)合薄膜的多場耦合驅(qū)動,我們采用一種磁場輔助納米材料梯度組裝的材料智能化制備新方法,依靠材料特性梯度實現(xiàn)復(fù)合材料的多場耦合操控。具體包括石墨烯氧化物的濕度響應(yīng)膨脹、光響應(yīng)脫附收縮及磁響應(yīng)定位。避免了雙層、多層刺激響應(yīng)材料層間黏附性差的問題。所制備的機器人具備平動、轉(zhuǎn)動、復(fù)雜形變等多種驅(qū)動模式,可實現(xiàn)定向運動、抓取釋放和旋轉(zhuǎn)等多種功能,該機器人可以非接觸式遠程操控,實現(xiàn)特殊環(huán)境下(密閉空間、水面上)對目標(biāo)物體的運輸。(4)光、濕度、表面張力耦合操控的仿生水黽運動:通過對水黽獨特的水面行走能力進行觀察分析,歸納了水黽運動的三重特性:身輕、腿部疏水、劃水運動。針對水黽水上運動模型,制備了超疏水涂層修飾的金屬水黽腿和等離子體輔助的光響應(yīng)石墨烯氧化物驅(qū)動骨架,通過組裝制作了光、濕度、表面張力耦合操控的水面運動機器人。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242.6

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本文編號：2793193