金型与钯型离子聚合物金属复合材料的含水量与变形规律

以具有典型工艺特征的金型和钯型离子聚合物金属复合材料(Au-IPMC和Pd-IPMC)为研究对象,旨在阐释不同工艺过程和电极制备的IPMC材料随含水量变化其机电性能存在差异的现象。测量了两种IPMC材料静态含水量和环境湿度之间的关系,探讨了材料在湿态和干态下与室温湿度交换平衡过程中含水量的动态变化规律,测试了不同含水量下IPMC材料的力电响应关系,并将其转换为不同的湿度环境下的响应关系。实验结果表明:两种电极的IPMC材料在不同的湿度条件下含水量及变形规律具有相似性,即高含水量下呈现松弛变形,低含水量下无松弛变形;与Pd-IPMC材料相比,不同湿度条件下对应的Au-IPMC含水量相对偏低,且在95%稳态湿度下,Au-IPMC材料具有更好的驱动性能,变形达到17.4mm。     

4D打印:智能材料与结构增材制造技术的研究进展

4D打印技术是基于智能材料与结构的增材制造技术提出来的,4D打印制造的实体结构形状可以随外界环境发生变化。通过对形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料、电致活性聚合物、光驱动型聚合物、水驱动结构等智能材料与结构的增材制造方法与驱动效果进行综合比较发现:直写打印成型具有适用性广的特点,单一智能材料的驱动性能有限;混合增材制造技术可以兼具多种智能材料的性能,拥有多种原位驱动模式,能够克服单一智能材料与结构的不足。文献综述表明:4D打印技术研究整体还处于实验室探索阶段;4D打印还需要在拓宽智能材料范围、开发打印软件、探索打印工艺、研究软材料打印方法、解决不同智能材料的兼容问题等方面展开深入研究,才能够在医疗、军事、航天等领域得到广泛应用。     

离子聚合物-金属复合材料模糊PID控制方法研究

文章针对离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer metal composite,IPMC)的松弛效应,将模糊控制与PID控制相结合设计了模糊PID控制器,实现了其PID的参数自整定功能;采用Matlab/Simulink分别对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行仿真,仿真结果表明,模糊PID控制系统响应时间为0.2 s,远小于常规PID控制系统的1.5 s,模糊PID控制系统的最大超调量比常规PID控制系统降低了74.5%,稳态误差降低了65.6%;采用STC51单片机对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行了IPMC末端输出位移控制实验,结果表明模糊PID控制系统的最大超调量比常规PID控制系统降低了77%,稳态误差降低了49%。该文设计的模糊PID控制系统对IPMC末端输出位移的控制效果比常规PID控制系统有了显著改进,对IPMC材料的应用具有较为重要的促进作用。     

PVC凝胶驱动及CNT/PDMS传感一体化柔性抓手的研究

鉴于目前关于软体机器人的研究大多仅致力于软活性材料的驱动功能,忽视了传感功能,研究一款集驱动与传感一体化的柔性抓手机器人。首先研究PVC凝胶驱动器结构设计与制备工艺,然后研究CNT/PDMS柔性传感结构的制造工艺,在此基础上,以PVC凝胶驱动器作为柔性抓手的驱动单元,以CNT/PDMS立体结构作为柔性抓手的传感单元,设计出一款具有驱动与传感一体化的功能结构,并对该功能结构进行测试。研究结果表明:在施加800V直流电压下单根手指的弯曲角度可达32.5°;在400V直流电压驱动下,由两根柔性手指构成的抓手能够抓取直径为15mm、邵氏硬度分别为10～20、30～50的易变形的硅橡胶圆柱体;在抓取不同硬度的圆柱体时,CNT/PDMS的电阻变化率亦不同,表明CNT/PDMS柔性传感结构可以感知抓取物体的软硬度,证明了本研究关于驱动及传感一体化结构设计的可行性。该研究可为后续软体机器人的设计及制造提供参考。     

新型智能材料微小型光学镜头致动器的设计与性能研究

为了使微小型光学镜头驱动系统满足低能耗、高稳定性以及结构简单的要求,采用新型智能材料IPMC设计了一种微小型的光学镜头致动器,并对其输出力、位移及响应速度等性能进行了研究.根据直线驱动要求确定了瓣形和环形结构;通过化学还原方法制备了IPMC材料,采用激光切割技术分别制作出5种形状的环形和瓣形致动器,并对其性能进行了测试.利用有限元软件,通过等效热模型分析了致动器的基本性能,结果表明:实验测试与理论分析结果一致,误差率在10％以内;瓣形致动器的总体位移性能比环形致动器的好;在3V驱动电压下两者的位移均大于200 μm;当内圆半径为2 mm、瓣数为8时,致动器的最大位移与响应速度均最佳.