基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮的制作方法
【专利摘要】本发明涉及工程仿生【技术领域】，具体涉及一种基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撑座、硬化导电层、柔性树脂层、柔性导电层、光滑橡胶层和人工肌肉伸缩单元，其中人工肌肉伸缩单元包括一定数量的电活性聚合物人工肌肉束和牵拉头。与现有技术相比，本发明以电活性聚合物人工肌肉模仿海豚皮肤结构中的弹性乳突，利用其通电收缩状态下所展现出的和生物肌肉十分相似的机能来模拟海豚皮肤乳突的生物机能，其弹性工作机制更为灵敏、可控，在结构和功能仿生方面为工程仿生技术特别是仿生减阻表皮制造技术的发展提供了有益范例。
【专利说明】基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种仿生海豚皮，更特别地说，是指一种基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，属于工程仿生【技术领域】。
【背景技术】
[0002]有效降低航行器的表面阻力以提高速度、机动性、续航力以及燃料利用效率，对于国民经济和国防安全具有重要意义。海豚、鲨鱼、金枪鱼等高游速水下生物无疑为人类提供了极为宝贵的工程仿生范本，有针对性地研发低阻、高效的仿生减阻表皮成为当前的研究热点和难点。
[0003]海豚是海洋中的游泳冠军，时速可达70?100千米。早在1936年，英国科学家Gray就发现海豚的游速已远远超出其肌肉力量的限度，进而提出著名的“格雷悖论”。研究发现，海豚之所以游得快，除了具有流线型身体外，更重要的是它特殊的弹性皮肤结构能产生类似消振器一样的“自适应表面”。海豚的皮肤分为三层，最外面的表皮层是薄而光滑的角质膜，中间是真皮层，分布着许多富有弹性的管状乳突，乳突里充满海绵状物质，乳突间是血液或体液，最里层是稠密的胶原纤维和弹性纤维，其间充满了脂肪。当海豚快速游动时，随着水阻力的增加，真皮层的微小乳突能承受很大的压力，且其形状和弹性可使海豚皮肤由光滑态逐渐起伏为一定的非光滑态，可以改变层流附面层的边界条件，使边界柔顺化，减小边界面的流速梯度和剪切力，防止或减缓湍流的产生，从而降低游动阻力。科学家目前仿制出的“人造海豚皮”由三层橡胶组成，总厚度2.5 mm，其中模仿海豚表皮层的平滑外层厚0.5 mm，中层有橡胶乳头以模仿海豚的真皮层，其间充满了粘滞性液态硅树脂，下层是厚
0.5 mm与船体接触的支持板。减阻试验结果表明，它可以使鱼雷和潜艇在海水中的运动阻力减少50%。但这类人造海豚皮在对海豚皮生物原型特殊、复杂结构的模仿上仍处较低水平，尤其是在对海豚乳突动态变形结构的模仿上仅是用简单的橡胶乳头来替代，在结构和功能仿生方面显然仍有较大的提升空间。
[0004]人工肌肉是近几十年问世的一种新型智能材料，它能够在外加电场、环境温度或酸碱度的作用下，通过材料内部结构的改变而伸缩并产生力的作用，具有和生物肌肉十分相似的机能。目前已研发出的人造肌肉材料涉及聚合物、金属、凝胶以及碳纳米管等，其中电活性聚合物(又称电致聚合体，简称EAP)是当前应用较为普遍的人工肌肉材料之一。这种人工肌肉是把内部注入特殊液体的管状粘合性导电塑料集束成肌肉一样的复合体，通电时导电性高分子可在溶液中释放出离子，进而在直流电场刺激下自行完成较大幅度伸缩动作，因而具备作为微型机械中电致动器基础材料的特质，具有成本低、可靠性和可操作性强等特点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，以解决上述技术问题。[0006]本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撑座、硬化导电层、柔性树脂层、柔性导电层、光滑橡胶层、人工肌肉伸缩单元，所述支撑座用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层的下表面与支撑座上表面相固定，其上表面与柔性树脂层的下表面相胶合，所述柔性树脂层上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室，所述柔性导电层的下表面与柔性树脂层的上表面相胶合，其上表面与光滑橡胶层的下表面相胶合，若干数量的人工肌肉伸缩单元对应穿过柔性树脂层上的伸缩室呈阵列化竖直排布于硬化导电层和柔性导电层之间，所述人工肌肉伸缩单元包括一定数量的电活性聚合物人工肌肉束和牵拉头，电活性聚合物人工肌肉束的一端连接硬化导电层，另一端连接柔性导电层和牵拉头，牵拉头的底面与柔性导电层的上表面相胶合，牵拉头的其余面与光滑橡胶层下表面所开设的若干牵拉孔相对应固定连接。
[0007]所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，自然状态下柔性树脂层的厚度是3.0 mm?5.0 mm,光滑橡胶层的厚度是1.5 mm?2.0 mm。
[0008]所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，自然状态下电活性聚合物人工肌肉束的长度是3.0 mm?5.0 mm，通电收缩后电活性聚合物人工肌肉束的长度是1.5mm ?2.5 mmD
[0009]所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，阵列化排布的人工肌肉伸缩单元之间的间距是10.0 mm?15.0 mm。
[0010]所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，牵拉头的形状是圆柱形、锥台形、球形，牵拉头水平方向上的直径尺寸是1.0 mm?1.2 mm。
[0011]本发明的工作原理为:将该仿生海豚皮安装于水下航行器载体外壳壁面，在载体航行过程中通过采集水温、航行速度、水密度、动力粘度等参数计算当前工况下的雷诺数以判断水流状态；当水流达到湍流时，给硬化导电层和柔性导电层施加一定强度的直流电，以刺激电活性聚合物人工肌肉束在柔性树脂层的伸缩室内产生大幅度可控收缩，进而带动人工肌肉伸缩单元的牵拉头牵拉其附近的光滑橡胶层，使得每个人工肌肉伸缩单元附近的光滑橡胶层、柔性导电层和柔性树脂层依次产生弹性变形，最终在每个人工肌肉伸缩单元上方的光滑橡胶层上形成微凹坑型非光滑表面；在此情形下，仿生海豚皮的光滑橡胶层、柔性树脂层以及若干人工肌肉伸缩单元分别模仿了真实海豚皮的非光滑态表皮层、柔性真皮层以及真皮层内的弹性乳突，三者的共同作用将减小边界面的流速梯度和剪切力，有效减缓湍流的危害，从而大大降低载体航行器的航行阻力；当不需要仿生海豚皮发挥减阻作用时，则停止供电即可，此时电活性聚合物人工肌肉束自动恢复原状，带动仿生海豚皮亦恢复原状，从而完成整个减阻作业。
[0012]本发明与现有技术相比，具有如下优点:(1)本发明以电活性聚合物人工肌肉模仿海豚皮肤结构中的弹性乳突，利用其通电收缩状态下所展现出的和生物肌肉十分相似的机能来模拟海豚皮肤乳突的生物机能，其弹性工作机制更为灵敏、可控；(2)本发明以柔性树脂层模仿海豚皮肤结构中的真皮层，不仅在工作机制上较其他材料更为形象、逼真，而且在使用寿命上比其他材料更为耐久、可靠；(3)本发明基于电活性聚合物人工肌肉所制作出的仿生海豚皮，在结构和功能仿生方面为工程仿生技术特别是仿生减阻表皮制造技术的发展提供了有益范例。【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮外观结构图。
[0014]图2为本发明的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮内部结构分层解剖图。
[0015]图3为本发明的人工肌肉伸缩单元结构示意图。
[0016]图4为本发明的柔性树脂层结构示意图。
[0017]图5为本发明的光滑橡胶层仰视结构示意图。
[0018]图6为本发明的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮变形示意图。
[0019]图中:1、支撑座 2、硬化导电层 3、柔性树脂层 4、柔性导电层 5、光滑橡胶层6、人工肌肉伸缩单元7、牵拉头8、电活性聚合物人工肌肉束9、伸缩室10、牵拉孔11、微凹坑。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
[0021]参照图1~图5，基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撑座1、硬化导电层2、柔性树脂层3、柔性导电层4、光滑橡胶层5、人工肌肉伸缩单元6 ;支撑座I用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面，硬化导电层2的下表面与支撑座I上表面相固定，其上表面与柔性树脂层3的下表面相胶合，柔性树脂层3自然状态下的厚度为5.0 mm,其上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室9，所述柔性导电层4的下表面与柔性树脂层3的上表面相胶合，其上表面与厚度为2.0 mm的光滑橡胶层5的下表面相胶合；若干数量的人工肌肉伸缩单元6对应穿过柔性树脂层3上的伸缩室9呈阵列化竖直排布于硬化导电层2和柔性导电层4之间，且阵列化排布的人工肌肉伸缩单元之间的间距是15.0 mm ;人工肌肉伸缩单元6包括3束电活性聚合物人工肌肉束8和直径为1.2 mm的圆柱形牵拉头7，电活性聚合物人工肌肉束8的一端连接硬化导电层2，另一端连接柔性导电层4和牵拉头7，牵拉头7的底面与柔性导电层4的上表面相胶合，牵拉头7的其余面与光滑橡胶层5下表面所开设的若干牵拉孔10相对应固定连接。
[0022]参照图1、图2和图6，拟将该仿生海豚皮应用于常年在近海活动的某型摩托艇上(艇长3.2 m)，仿生海豚皮的铺设长度为2.0 m。首先，按照该型摩托艇通常工作环境(海水水温20°C，密度为1.025X 103 kg/m3、动力粘度为1.002X IO^3 kg/m *s)下的设计最低巡航速度7 m/s计算该工况下仿生海豚皮的雷诺数:
【权利要求】
1.基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撑座(I)、硬化导电层(2)、柔性树脂层(3)、柔性导电层(4)、光滑橡胶层(5)、人工肌肉伸缩单元(6)，所述支撑座(I)用于支撑并将仿生海豚皮安装固定于载体外壳壁面，所述硬化导电层(2)的下表面与支撑座(I)上表面相固定，其上表面与柔性树脂层(3)的下表面相胶合，所述柔性树脂层(3)上开有若干阵列化排布的通孔型伸缩室(9)，所述柔性导电层(4)的下表面与柔性树脂层(3)的上表面相胶合，其上表面与光滑橡胶层(5)的下表面相胶合，若干数量的人工肌肉伸缩单元(6)对应穿过柔性树脂层(3)上的伸缩室(9)呈阵列化竖直排布于硬化导电层(2)和柔性导电层(4)之间，所述人工肌肉伸缩单元(6)包括一定数量的电活性聚合物人工肌肉束(8)和牵拉头(7)，电活性聚合物人工肌肉束(8)的一端连接硬化导电层(2)，另一端连接柔性导电层(4)和牵拉头(7)，牵拉头(7)的底面与柔性导电层(4)的上表面相胶合，牵拉头(7)的其余面与光滑橡胶层(5)下表面所开设的若干牵拉孔(10)相对应固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:自然状态下柔性树脂层(3)的厚度是3.0 mm?5.0 mm,光滑橡胶层(5)的厚度是1.5 mm?2.0 mm。
3.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:自然状态下电活性聚合物人工肌肉束(8)的长度是3.0 mm?5.0 mm，通电收缩后电活性聚合物人工肌肉束(8)的长度是1.5 mm?2.5 mm。
4.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:阵列化排布的人工肌肉伸缩单元(6)之间的间距是10.0 mm?15.0 mm。
5.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:牵拉头(7)的形状是圆柱形、锥台形、球形，牵拉头(7)水平方向上的直径尺寸是1.0 mm?1.2mmD
【文档编号】B63B1/34GK103832541SQ201410107757
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】韩鑫, 靳印凯, 陈亮亮, 邱先慧 申请人:山东理工大学