生物凝胶类仿生人工肌肉输出力震颤行为及其抑制研究

Focus on instability work and low efficiency problem of biological gel typed bionic artificial muscle during the force output process, a kind of output force tremor phenomenon was interesting to be discovered by our working team. And it is very vital to the performance improvement of bionic artificial muscles. Therefore, the project mainly concentrated on the in-depth research of the tremor phenomenon...Based on the experiment of the single cycle and the repeated cycle of the tremor behavior, the periodic trends of the output force tremor behavior of bionic artificial muscle were obtained in this project. At the same time, evaluation methods of the tremor behavior characteristics of bionic artificial muscle were established, and the effects of the tremor characteristics under different process factors were further studied. By means of the electrochemical tests of the composition of bionic artificial muscle, and the external periodic signal influence on tremor behavior, the tremor mechanism was clarified. Finally, using two methods of modified preparation technology and adjusted outside source, the optimization effect of the output force tremor characteristics of bionic artificial muscle was further investigated, and the control method for the output force tremor behavior is given. It greatly improved the output force of biological gel typed bionic artificial muscle, and shortened the process to apply the bionic artificial muscle in practice.

针对生物凝胶类仿生人工肌肉输出力过程中出现的工作不稳定、低效率工作问题，课题组在研究过程中发现生物凝胶类仿生人工肌肉存在一种输出力震颤现象，且该震颤现象对仿生人工肌肉的性能改善至关重要，因此，本项目对该震颤现象进行深入地研究。. 本项目通过对单周期与重复周期震颤行为的实验研究，获得仿生人工肌肉输出力震颤的周期性规律。同时，建立仿生人工肌肉输出力震颤行为特性的评价方法，研究不同工艺因素对仿生人工肌肉输出力震颤特性影响效果。通过对仿生人工肌肉组成的电化学实验测试，结合外部周期信号对震颤行为的影响，阐明仿生人工肌肉震颤行为的机理。最后，采用仿生人工肌肉制备工艺改性与调整外部信号源两种方法，研究仿生人工肌肉输出力震颤特性的优化效果，给出输出力震颤行为的调控方法。这极大地改善凝胶类仿生人工肌肉的输出力的性能，缩短凝胶类仿生人工肌肉在实践应用的进程。

随着机器人技术的发展以及智能材料的诞生，作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。研究发现生物凝胶类仿生人工肌肉在力输出的过程中存在一种类似于人类肌肉的“病理性震颤”现象，这种震颤行为显著的影响仿生人工肌肉的运动的平稳性与性能的输出。因此，对这种震颤行为进行深入研究对推进仿生人工肌肉在实践应用领域的发展具有十分重要的意义。.选取海藻酸钠为主要材料制备了仿生人工肌肉，明确了仿生人工肌肉的工艺流程，建立了力-电特性实验平台。对仿生人工肌肉进行了电激励实验，采集数据后研究了不同周期内仿生人工肌肉输出力的震颤特征规律，建立了仿生人工肌肉的特性评价方法。从样件湿度，冷冻干燥温度，双面浇筑，海藻酸钠浓度等方面研究了工艺因素对震颤行为特性的影响规律；通过对比实验，得到了工艺参数对震颤行为的影响规律。根据材料特性采取了电化学测试，微观表征，力学性能测试，红外测试等多种实验手段并结合推导的保水率，离子通道，含水量公式综合分析了仿生人工肌肉的震颤行为及机理。分别对不同样件湿度，冷冻成型温度，离子液掺杂等改性方法下的震颤行为进行了研究，采用不同倍数下的微观表征及离子通道的计算等方法对内部结构进行表征，找出震颤前后物质组分变化，分析了震颤行为产生原因。采用了离子液掺杂，氯化钙及生物交联的改性方法对人工肌肉进行处理，并采用电激励实验验证了这三种手段对震颤抑制的效果，并分别明确了抑制震颤的最佳实验参数。基于仿生人工肌肉震颤行为的发生规律，提出一种新型的动态递补灾变灰预测方法，对人工肌肉震颤行为的发生进行了预测研究。.通过本项目及相关人员的共同努力，该项目取得了重要的进展，完成了仿生人工肌肉输出力震颤行为调节及抑制，为我国生物凝胶类人工肌肉的工程应用提供较好的理论支撑。.该项目执行期间，申报国家发明专利16项（已授权11项），发表论文24篇，SCI检索20篇，EI检索4篇，参加国内外学术会议3次。