基于导电高分子的柔性致动器设计及其致动拮抗机理研究

The safety and accuracy of Minimal Invasive Surgery (MIS) like cochlear implant highly relies on the performance of end executor. In order to achieve both safety and accuracy, executor must be small, soft and flexible. Using soft actuation materials can easily achieve those requirements. However it is still lack of an approach to design a flexible end executor through using soft actuation material. The main reason is that a phenomenal called antagonism, which is very common in electrochemical driven soft actuation material, hasn’t been properly dealt with. Taking conducting polymer as an example, its redox process causes doping and dedoping of ions, leading to expansion and contraction of the material. While oxidation and reduction is a pair of chemical reaction and couldn’t be isolated, expansion of one electrode will be jeopardized by the shrinking of the other side..Here, we are going to design a material with wave structure. The purpose is to vary actuation strain through adjusting parameters of micro structure. Thus, we can utilize materials with different actuation strain to assemble an actuator unit, which will allow us to eliminate antagonism effect. In the end, a flex and soft end executor built by such unit will be demonstrated.

导电高分子致动拮抗效应来源于氧化-还原反应，即由氧化反应引起膨胀形变和还原反应时的收缩形变。在一个完整的致动体系当中，而为了维持体系电化学平衡，两种反应必须同时存在，这样会导致相背的致动现象。这给柔性致动单元和柔性致动器的设计带来很大困扰。因而合理处理拮抗效应问题是由柔性致动材料构建柔性致动器的关键技术和原理性问题。.本项目的研究结合材料学科和机械学科的实验方法和理论方法，目的是在维持体系电化学反应平衡的同时抑制拮抗致动效应。首先设计材料分子结构和微观结构，设计制备宏观致动效果可调的柔性材料，然后利用具有不同致动效果的材料构建具有拮抗抑制效应，可实现致动模式统一的微型柔性单元。最终利用将其集成为微创手术执行器械并将其应用到人工耳蜗植入手术当中。项目成果同时将为使用柔性致动材料构建微型，柔性的仿生致动器械和柔软体机器人提供系统理论方法。

近年来，软体机器人学的发展得到了学术界的广泛关注，针对软体致动材料的研究也方兴未艾。但是软体致动材料的发展仍然存在很多基础科学问题：.1.导电高分子材料的致动其来源于氧化反应时的膨胀形变和还原反应时的收缩形变。这种形变来源于氧化还原时的离子掺杂。但是离子掺杂这一传质过程还不是很清楚,因此容易出现拮抗效应和致动不协同的问题。.2.柔软体致动器是连续体的大变形，尚缺乏有效的数学建模描述致动形变过程；.3.由于缺乏合适的数学模型，柔软体致动器的精确控制仍然存在较大挑战。.针对上述三个主要科学问题，本研究做了如下尝试：.1.利用中空螺旋管的致动器构型，利用电化学图谱的方法对传质过程进行了详细描述和分析。确认了传质模型符合菲克定律，精确计算了传质系数。实验摸索了一类方法，即通过调整掺杂离子大小参数，使得传质过程仅仅依赖于某种离子而不是混合离子，将阳离子致动和阴离子致动分隔组合，达到抑制拮抗的效果。.2.以弹性杆为原型，建立了螺旋型软体材料的本构模型,定量的描述了制备过程的工艺参数和致动性能之间的关系，为进一步筛选和优化致动材料提供了理论依据。.3.基于模型结论，建立了一套控制系统，将控制误差控制在3%以内。.这些研究成果的取得，为柔软体致动材料的应用奠定了基础。