适合离子液体迁移的IPMC制备及仿生应用研究

Ionic polymer-metal composites（IPMC）artificial muscle material is expected to change the current actuation technology, having a great application potential. On the basis of previous studies, this project aims at the active actuation of gecko-inspired toe of carbon nano-tubes dry adhesives, investigating the performance optimization method of ionic polymer artificial muscle and its bionic application. In order to break through the fabrication of porous IPMC matrix, the consecutive, regular and controlled channels are generated in the Nafion membrane, ionic liquids are adopted as the electrolyte, solving the limitation of IPMC’s humid working environment. Making use of carbon nano-tubes technology, the carbon nano-tubes-metal hybrid electrodes are formed on the both sides of Nafion matrix to prevent the leakage of electrolyte, further significantly improving the actuation performances of IPMC. The formation of regular migration channels and the migration mechanism of anions and cations in the restrained channels are studied, and the model of actuation mechanism of anions and cations is established. The bionic application demonstration based on the improved performance of IPMC will be studied. IPMC is used as the artificial muscle to actuate terminal changed aligned carbon nano-tubes dry adhesives in order to imitate the gecko-inspired toe. The research achievements can provide the key technology for three dimensional surface wall climbing robot.

IPMC(Ionic polymer-metal composites，离子聚合物金属复合材料)人工肌肉材料有望改变驱动技术的现状，具有巨大的应用前景。本项目在前期研究的基础上，以碳纳米管干粘附仿壁虎脚趾的主动驱动为牵引，研究离子聚合物人工肌肉材料的性能优化方法及仿生应用。拟通过制备多孔IPMC基底为突破，在Nafion基底膜内部形成连续规律可控的孔道，采用离子液体作为工作介质，从而解决现有IPMC对潮湿工作环境的限制；同时结合碳纳米管技术，在Nafion基底上获得碳纳米管-金属复合电极阻止工作介质泄漏，进一步大幅提高IPMC驱动性能；研究获得规律性迁移孔道及阴阳离子在约束管道中的迁移机制，并建立阴、阳离子致动机理下的模型。课题将在性能提升的基础上进行IPMC的仿生应用示范研究，将其应用于人工肌肉驱动的末端带电定向碳纳米管干黏附仿壁虎脚趾，研究成果可望成为三维表面爬壁机器人的核心技术。

IPMC(Ionic polymer-metal composites，离子聚合物金属复合材料)人工肌肉材料有望改变驱动技术的现状，具有巨大的应用前景。本项目在前期研究的基础上，以碳纳米管干粘附仿壁虎脚趾的主动驱动为牵引，研究离子聚合物人工肌肉材料的性能优化方法及仿生应用。通过连续孔道构筑、梯度设计、碳纳米笼掺杂、铜离子迁移四个方面优化了IPMC的性能，成功制备了长时间工作的IPMC人工肌肉，离子液基多孔IPMC的输出位移在驱动5 h后仍保持稳定的输出效果，为最大值的~88%，最大值是离子液基无孔IPMC的7.45倍，而且在12 Hz的时候有谐振输出。采用Possion-Nerst-Planck方程建立离子液体为工作介质IPMC的离子通量，通过国内外合作进行了工作介质为离子液体IPMC的建模，给出了不同频率下测试和模拟电压的峰值，给出了不同频率下仿真电压随着时间变化的曲线，给出了不同频率下沿着材料厚度方向的阳离子浓度。浓度呈线性分布，且变化小于1%。通过CF4、CO2等离子体处理修饰的定向碳纳米管，影响其表面微观形貌与结构，改变化学组成与极性，在碳纳米管阵列末端和基底之间产生偶极子，提升了碳纳米管干黏附材料的黏附性能，CF4等离子体处理1.5 min后定向碳纳米管阵列黏附力增加了34 %，CO2等离子体处理10 min时黏附强度提高了约38%。研制了IPMC人工肌肉驱动的干黏附仿壁虎脚趾结构，测试了电活性黏附性能，发现IPMC人工肌肉能够提供可控的负载，以产生可控的黏附性能。IPMC人工肌肉驱动的干黏附仿壁虎脚趾结构成功应用在仿壁虎机器人脚趾和柔性抓取中，研究了仿壁虎腿结构运动轨迹下电活性黏附性能，法向、切向黏附分别为0.16，0.28 N•cm−2，完成了五指抓取结构的设计与实验，有效提高了抓取结构的适用范围，使五指抓取机构具有内收和外翻两种不同抓取方式。验证了IPMC人工肌肉主动驱动仿壁虎干粘附的可行性，实现了爬壁机器人的核心技术。