基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器及编程方法

本发明涉及软体驱动器/执行器，具体为基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器及编程方法。

背景技术：

1、双向形状记忆聚合物(two-way shape-memory polymers,2w-smps)经拉伸取向编程后可在热刺激下表现出“热缩冷伸”的可逆变形行为，具有类似生物肌肉的驱动功能，可作为人工肌肉材料用于制造各种软体驱动器。2w-smps驱动器具有选材广、成本低、加工简单等优势，有望在软体及人形机器人、生物医疗、航空航天等战略新兴产业获得广泛应用。

2、拉伸取向下的分子链网络结晶和熔融是2w-smps表现出热缩冷伸特性的主要原因，因此，在相应驱动器的制造过程中，如何保持2w-smps分子链网络的拉伸取向是首要解决的问题。现有策略主要有三种：(1)通过悬挂重物使2w-smps在重物拉伸下保持取向，亦即通过外力保持分子链网络的取向；(2)在2w-smps中引入内应力，利用材料的内应力保持分子链网络的取向；(3)通过驱动器结构设计，利用结构中其它组成部分使2w-smps保持拉伸状态，亦即利用结构的内应力保持分子链网络的取向。第(1)种策略通常可获得超过30％的可逆伸缩驱动应变，但是所需悬挂的重物严重限制了驱动器的应用场景；第(2)种策略则可适应多样化的应用需求，但是要求2w-smps具有特殊的结晶熔融特性或分子链网络结构才能实现内力的调控，且获得的伸缩驱动应变通常小于20％。第(3)种策略兼具第(1)种和第(2)种策略的优势，有望实现高于30％的伸缩驱动应变，但目前局限于叠层和核壳式结构设计，且叠层式结构驱动器的形变模式以弯曲为主，核壳式结构驱动器由于受到壳层形变的制约也难以实现超过20％的伸缩驱动应变。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器及编程方法，可实现驱动器内应力和伸缩驱动应变的高效调控。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，包括由双向形状记忆聚合物组成的主动单元，用于实现热刺激下的热缩冷伸可逆形变；

4、以主动单元为中心，主动单元的外侧对称布置有由屈曲结构组成的从动单元，用于保持主动单元的拉伸取向；

5、主动单元处于拉伸状态，从动单元处于压缩状态，主动单元和从动单元至少在两端互相连接并达到应力平衡状态。

6、进一步地，主动单元为任意形状横截面的条带状或杆状结构，可采用任意类型的2w-smps通过加工成型获得。

7、进一步地，主动单元横截面为六边形，从动单元横截面为矩形且其长边与六边形边长相等，从动单元共设有6个且均匀对称地环设于主动单元的外侧。

8、进一步地，主动单元的材料包括半结晶的三元乙丙橡胶、聚氨酯、聚己内酯、乙烯-醋酸乙烯等双向形状记忆聚合物。

9、进一步地，从动单元的材料包括热塑性聚合物材料，其屈曲结构取决于其在主动单元压缩作用下失稳后达到的平衡构型，可通过热-机械编程高效调控。

10、进一步地，主动单元中部和从动单元中部设有至少一个连接点。

11、进一步地，还包括连接单元，用于实现主动单元和从动单元间的应力传递，主动单元和从动单元的连接通过连接单元进行连接，可通过胶粘、热键合或机械连接(捆绑、铆接、螺栓等)的方式实现。

12、进一步地，驱动器的内应力及伸缩驱动应变通过热-机械编程高效调控以改变屈曲结构的构型。主动单元在热-机械编程后的应变回复大于从动单元，使得从动单元在主动单元回弹力的作用下发生压缩失稳，形成屈曲结构。

13、基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器的编程方法，包括如下步骤：

14、在高温下将驱动器拉伸应变，保持应变恒定，先保温以使从动单元充分塑形，再降低温度至室温，并卸除两端的约束，主动单元在卸载后显著回复，并对从动单元施加压缩应力，使从动单元失稳屈曲，随着主动单元的进一步回复，其内部应力减小，而屈曲后的从动单元被进一步压缩，其内部应力增加，两者达到平衡时驱动器的结构将保持稳定。

15、进一步地，还包括单独针对屈曲结构的热塑性控形，可通过控制屈曲结构的温度和载荷条件实现，利用从动单元的热塑性对形成的屈曲结构进行调控，将驱动器两端固定，夹住从动单元的中间部位并向外施加一定拉力，同时对从动单元进行加热，待屈曲结构重新塑形后，降温冷却并卸除载荷，驱动器将达到新的平衡构型。

16、总的说来，本发明具有如下优点：

17、利用屈曲结构作为2w-smps驱动器的被动部分，既能为主动单元的拉伸取向提供所需应力，又能减小对主动单元形变的约束，还能方便地实现伸缩模式的驱动，可有效解决现有叠层和核壳式结构驱动器面临的问题。此外，驱动器的内应力还可通过热-机械编程高效调控。因此，通过本发明可获得选材广、应用场景多样、驱动应变易调控、驱动性能优异的2w-smps驱动器。

技术特征：

1.基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：包括由双向形状记忆聚合物组成的主动单元；

2.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动单元为任意形状横截面的条带状或杆状结构。

3.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动单元横截面为六边形，从动单元横截面为矩形且其长边与六边形边长相等，从动单元共设有6个且均匀对称地环设于主动单元的外侧。

4.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动单元的材料包括半结晶的三元乙丙橡胶、聚氨酯、聚己内酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

5.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：从动单元的材料包括热塑性聚合物材料。

6.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动单元中部和从动单元中部设有至少一个连接点。

7.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：还包括连接单元，主动单元和从动单元的连接通过连接单元进行连接。

8.根据权利要求1所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：驱动器的内应力及伸缩驱动应变通过热-机械编程高效调控以改变屈曲结构的构型。

9.如权利要求1-8任一项所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器的编程方法，其特征在于：包括如下步骤，

10.根据权利要求9所述的基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器的编程方法，其特征在于：可利用从动单元的热塑性对形成的屈曲结构进行调控，将驱动器两端固定，夹住从动单元的中间部位并向外施加一定拉力，同时对从动单元进行加热，待屈曲结构重新塑形后，降温冷却并卸除载荷，驱动器将达到新的平衡构型。

技术总结本发明涉及基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器及编程方法，基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物(2W‑SMPs)驱动器包括由双向形状记忆聚合物组成的主动单元；以主动单元为中心，主动单元的外侧对称布置有由屈曲结构组成的从动单元；主动单元处于拉伸状态，从动单元处于压缩状态，主动单元和从动单元至少在两端互相连接并达到应力平衡状态。利用屈曲结构作为2W‑SMPs驱动器的被动部分，既能为主动单元的拉伸取向提供所需应力，又能减小对主动单元形变的约束，还能方便地实现伸缩模式的驱动。此外，驱动器的内应力还可通过热‑机械编程高效调控。因此，通过本发明可获得选材广、应用场景多样、驱动应变易调控、驱动性能优异的2W‑SMPs驱动器。技术研发人员：王晋受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16