基于中空活性碳纳米纤维电极的IPMC人工肌肉执行器构建及其电驱动机制研究

Upper limb disability caused by stroke is a globle tickler. Hand- rehabilitated robot is an effective way to decrease the upper limb disability by stroke. The present hand-rehabilitated robot actuators show difficulty to carry, poor security and low control precision. The IPMC artificial muscle actuators can solve those problems well, but their blocking force and working time are too little to meet the clinical requirements. This project aims at manufacture of the IPMCs with the hollow activated carbon nanofibers (HACNF) as electrodes to improve the actuating performances under non-water conditions. The research includes: preparation of HACNF from the polyacrylonitrile-based core-sheath nanofibers through coaxial electrospinning and carbon fiber activation, understanding the forming mechanism of hollow structures, meso-pores and the oxygen-containing functional groups on the surfaces of HACNF; manufacture of the IPMCs with the HACNF electrodes, building the equivalent circuit of the HACNF electrode/ electrolyte impedance spectroscopy, fitting the parameters of equivalent circuit, explorating the functional relationship between of the structure of HACNF and the properties of electrodes; study of the deformation-driving behavior of IPMCs, building the electro-mechanical coupling model, and illuminating the quantitative functional relationship between the HACNF electrodes and actuation of the IPMCs. The successful implementation of this project will provide the theoretical and experimental foundation for the common problems of HACNF electrodes and actuation of the IPMCs.

脑卒中引起的上肢残疾是人类面临的世界性难题。利用手功能康复机器人辅助患者进行早期手部运动是减少脑卒中残疾的有效手段。现有的手康复训练机器人执行器存在不宜携带、控制精度和安全性差等缺点。化学镀电极IPMC执行器可以解决上述问题，但驱动力小，非水工作时间短。本项目拟构建中空活性碳纳米纤维（HACNF）为电极的IPMC执行器，以改善其在非水环境中的驱动性能。项目通过制备具有高介孔率和含氧官能团的HACNF，探索HACNF表面介孔和含氧官能团的形成规律；制备HACNF为电极的IPMC，测定HACNF电极/电解质的阻抗谱，建立等效电路模型，揭示HACNF表面结构与电极性能之间的函数关系；研究以HACNF为电极的IPMC电驱动行为，建立IPMC力-电耦合函数模型，揭示HACNF电极性质与IPMC驱动力的定量关系。项目的成功实施可为HACNF电极性质和IPMC驱动性能等共性问题的研究提供理论和实验依据。

脑卒中引起的上肢残疾是人类面临的世界性难题。利用手功能康复机器人辅助患者进行手部康复运动是减少脑卒中上肢残疾的一种有效手段。现有金属电极离子型人工肌肉IPMC执行器面临的主要问题是驱动力太小和非水工作时间短。中空活性碳纳米纤维（HACNF）兼具中空结构和纳米纤维形状，其独特的高比表面积、介孔结构、表面含氧功能基以及纤维状的导电通道共同作用，可有效增大与电解质离子的接触面积，减小离子迁移阻力，提高电极电容，是双电层电容器电极材料研究的新方向。.本项目主要的研究内容如下：1）制备出具有高比表面积、高介孔率和含氧官能团的PAN基HACNF，阐明HACNF表面微介孔和含氧官能团形成与保持的调控机制；2）制备HACNF为电极的IPMC，以HACNF电极/电解质的阻抗谱建立等效电路，拟合等效电路参数，揭示HACNF表面结构与电极性能之间的函数关系；3）研究IPMC电变形驱动行为，建立IPMC力-电耦合函数模型，揭示HACNF电极性质与IPMC驱动力的定量函数关系。.目前取得的重要研究结果如下：1、碳纳米纤维用PAN的制备。首先通过正交试验研究了PAN聚合参数对聚合反应的影响。结果表明，引发剂用量（A）对PAN相对粘均分子质量的影响最大；第二单体衣康酸浓度（B）对PAN环化放热的影响最大；第三单体丙烯酸甲酯浓度（C）对PAN聚合收率的影响最大。2、同轴静电纺丝制备PAN碳中空纳米纤维。考察了静电场施加方式、芯层组分及芯层针头直径对PAN碳纳米纤维中空结构稳定形成及其碳化收率的影响。实验结果表明，芯层组分会影响PAN纳米纤维壳-芯结构及其碳纳米纤维中空结构的形成，而静电场施加方式和芯层针头直径的影响不大。3、IPMC 长度、厚度、重复使用方式对其电驱动性能的影响。随IPMC厚度增加，其电驱动力先增加后减少，且响应时间变慢，IPMC长度减少一倍，其电驱动力增加一倍，但响应时间基本不变。.本项目所取得的研究成果将为进一步开发驱动力大、响应时间短、成本低、使用寿命长的IPMC驱动器提供理论和技术依据。