基于高定向碳纳米管的大形变电热致动器的研究与设计

Carbon nanotube (CNT) is a new type of nano-carbon functional materials, with excellent electrical, thermal and mechanical properties. How to make CNT bulk-material will directly influence its macroscopic properties and corresponding applications. The conventional CNT powders with the CNTs disordered arrangement and mutually winding have less value in practical applications. By contrast, the highly ordered CNT bulk-materials will have excellent performance which results from highly directional arrangement of CNTs. And the good properties of the single CNT can present in their bulk-material, such as large length-diameter aspect ratio, excellent axial electrical and thermal properties..Therefore, in this research project, we focus on the preparation of highly ordered CNT bulk-materials and their functional applications. We first draw the CNT sheet from the super-aligned CNT array and rolled the sheet into a compact, highly directional CNT paper (buckypaper). The buckypaper is highly anisotropic: the electrical or thermal conductivity along the CNT aligned direction is about ten times larger than that perpendicular to the CNT alignment. Through graphic design, fine processing on the buckypaper and making the bilayer composite with the high-performance silicone elastomer, we have successfully prepared a series of functional electro-thermal actuators. These devices not only could carry out large-strain bending, over 180 degrees, but also could accomplish various complex actuations, such as helical curling, imitating human-hand actions, etc. We hope that through the support of this fund, we could improve the design of the actuators and promote the study one step further and make the actuator more integrated, functional and practical.

碳纳米管作为新型的碳功能材料，在电、热、力方面性质优异。碳纳米管宏观体如何构筑，将直接影响其宏观性质和应用。排列无序、相互缠绕的碳管粉末应用价值不高。而排列整齐、具有高定向性的碳管宏观体将会使碳管的微观特性在宏观上有充分的表达和体现（高长径比，轴向的电学、热学特性）。.因此，本项目的研究重点是碳纳米管高定向宏观体的制备及其功能化应用。我们把超顺排碳纳米管阵列进行高速拉膜辊压，制备出高定向的柔性碳纳米管纸。定向碳纳米管纸具有极强的各项异性：沿着碳管顺排方向的电导、热导是其非顺排方向的10倍以上。通过对碳管纸进行图形设计、精细加工并与高性能硅橡胶复合，我们制备出了一系列功能化的电热致动器件。这些致动器不仅能进行180度的大角度弯折，而且能完成诸多复杂动作，比如：螺旋卷曲、模仿人手的仿生动作等。我们希望借助青年基金的支持，进一步完善设计，把现有致动器提升一个台阶，使其集成化、功能化，力争实用化。

随着机器人技术的进步和普及，多种应用场景对机器人动作的复杂度、灵巧性和协同性提出了更高的要求。比如，要求新型机器人实现多关节运动（模仿人类手指的灵巧动作），多肌肉协同的复杂动作（模仿人类的丰富表情），全柔性的致动器件及动作（模仿象鼻的动作、蠕虫的爬行），小型化的致动器件（微型灵巧机器人及关节）。利用目前的机器人致动技术（伺服电机）和传动装置（气压、液压传动）还很难实现上述动作要求。主要因为电机动作的刚性以及机械装置很难小型化，导致现有机器人的动作僵硬，而且无法实现各种精细动作和复杂灵巧动作。因此，研究开发新型的柔性致动器和高性能的仿生人工肌肉不仅具有重要的科学意义，还具有普遍的社会价值。.本项目研究的是基于热致弯曲原理的柔性致动器，利用高定向碳纳米管材料（超顺排碳纳米管阵列、高定向碳纳米管纸）及其复合物，设计制备双层复合膜结构。利用图形化的碳纳米管膜加热电路，在电流加热条件下，使得聚合物层迅速膨胀，利用双层材料的热膨胀率的巨大差异，使得复合膜产生超过180°可控弯曲形变。.取得的主要成果是：对超顺排碳纳米管阵列进行拉膜辊压，可以制备大面积的碳纳米管纸。通过对高定向的碳纳米管纸进行图形加工，并利用该种材料的各向异性输运性能，使得制备的双层电热致动器可以完成多种动作和形变，实现一定的功能。例如实现10个动作单元的可控弯曲致动，实现类似人手抓握动作的仿生致动。更重要的是，电热致动器较比传统的电场型、离子型致动器有着驱动电压低、不使用电解液的优势，便于进行推广应用。.通过该项目的资助，我们开发出的功能化电热致动器的驱动电压范围5~100V，电流小于0.2A。制备的复杂电热致动器有多大10个致动单元，仿生手致动器可以对5根手指分别进行控制，致动单元的弯曲角度可以超过180°。.该项目研究利用了纳米新材料的特殊性质，提出了电热致动器的新颖设计方案，实现了多功能、大角度致动，将来有望应用于柔性机器人和人工肌肉领域。