利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器、制备方法及应用与流程

本发明属于驱动器技术领域，具体涉及通过将双层驱动器中的惰性层图案化使得驱动器获得取向性，从而利用湿度响应对其进行定向驱动。

背景技术：

驱动器是智能机器人、微机械等智能器件的核心部件。在各种驱动器结构中，双层驱动器因其高灵敏度、高形变量和易加工等显著优势而具有重要地位。一般的，双层驱动器由活性层和惰性层双层薄膜构成，二者均可通过直接沉积、旋涂、电纺丝等技术简便获得。其工作原理为，当施以外界刺激(湿度、光、电、温度、ph等)时，双层驱动器中的活性层迅速响应发生形变，而惰性层无响应，从而使得整个双层膜结构向惰性层一侧弯曲。然而，现有的双层驱动器构造技术无法实现对驱动器弯曲取向(即在驱动器薄膜平面内的弯曲取向)的调控，其弯曲取向是随机的，因此无法实现复杂运动的驱动。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器的制备方法。通过将双层驱动器的惰性层进行条纹图案化，使得双层驱动器在受到外界刺激时发生具有特定取向的弯曲，即只沿图案化条纹的排布方向发生弯曲。其主要原理为，利用惰性层内的多条图案化条纹同时弯曲的应变累积效应，迫使双层驱动器形成沿条纹排布方向的整体弯曲效果，即利用图案化惰性层实现了对双层驱动器弯曲取向的调控。在此基础上，在驱动器组装时只需按照每个组件对应的运动方向和维度，对相应的驱动器进行图案化，最终即可实现驱动器的复杂运动。

本发明通过如下技术方案实现：

一种利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器，所述驱动器为双层薄膜结构，由图案化惰性层1和活性层2组成；

其中，所述的图案化惰性层1为不具有湿度响应的薄膜，其图案为一系列具有特定取向的均匀条纹，用于控制驱动器响应时在薄膜平面内的弯曲方向，使双层驱动器沿应力较小的条纹排布方向发生整体弯曲；

所述的活性层2为对外界刺激具有湿度响应的薄膜，在受到湿度刺激时吸收水分子而体积显著膨胀，使双层驱动器发生迅速弯曲响应。

进一步地，所述光图案化惰性层1为su-8光刻胶薄膜，厚度为8-14μm。

进一步地，所述活性层2的为石墨烯氧化物薄膜，厚度为8-15μm。

进一步地，所述的图案化惰性层1的包含1-4个不同取向的多重条纹图案区域；条纹宽度和间距均为200-400μm，条纹与双层驱动器薄膜的长边夹角为0-180°。

利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器的制备方法，具体步骤如下：

(1)、活性层制备：所用活性层材料为石墨烯氧化物；在玻璃衬底上滴涂石墨烯氧化物溶液，并在室温下晾干，形成活性层薄膜；

(2)、惰性层制备及图案化：首先，在活性层薄膜上旋涂稀释后的光刻胶，经前烘形成惰性层薄膜；然后，取定制的掩膜板，置于惰性层上方并进行紫外曝光，完毕后取下掩膜板，对惰性层进行显影；最后，将光刻胶/石墨烯氧化物双层薄膜从玻璃衬底上揭下，得到双层驱动器薄膜；

(3)、驱动器组装：根据所要实现的复杂运动，对双层驱动器薄膜进行剪裁并粘贴组装，得到所需能够实现复杂运动的驱动器。

进一步地，步骤(1)所述石墨烯氧化物溶液，具体合成步骤为：

首先，将nano3和石墨粉按照质量比为1:1-1:4在冰浴条件0-3℃下混合、加入90-120ml浓硫酸(质量浓度98％)；然后，加入7-15g高锰酸钾，保持冰浴条件(0-5℃)并以800-1000r/min的转速搅拌60-110min；随后，将混合物依次升温至35℃和90℃，在这两个温度点搅拌保温并注入去离子水，保温时间分别为2h和15min，注入去离子水量依次为80和200ml，所用注水时间分别为30min和5min，保持搅拌转速为800-1000r/min；再加入10ml过氧化氢(体积浓度为30％)，关掉加热并继续搅拌12-20min，然后使其沉降18-30h；沉降完毕后倒掉上层清液，用去离子水稀释酸性产物，并以8000-15000r/min的转速离心12-18min，重复15-20次，直至上层清液ph值为7；最后，将产物悬浊液以1000-1500r/min的转速离心10-20min，重复3-5次，直至无肉眼可见的黑色石墨颗粒，即得到浓度为4-8mg/ml的石墨烯氧化物溶液。

进一步地，所述的滴涂石墨烯氧化物溶液的量为5-10ml，晾干时间为4-8h，活性层薄膜厚度为8-15μm。

进一步地，步骤(2)所述制备惰性层的光刻胶为su-8，所用稀释光刻胶的溶液为环戊酮，稀释比例为su-8与环戊酮的质量比2:1；所用稀释光刻胶的量为3-6ml，旋涂稀释光刻胶所用转速为4000-6000rpm，所用时间为30-60s；旋涂完毕的光刻胶需进行前烘，所用温度为80-110℃，所用时间为15-30min，形成的惰性层厚度为8-14μm；对惰性层薄膜紫外曝光所用时间为5-8min，曝光完毕需进行后烘，所用温度为80-110℃，所用时间为10-20min；所述显影时间为5-10s。

进一步地，所述的定制掩膜板根据所要实现的复杂运动进行制定，包含1-4个不同取向的多重条纹图案区域；条纹宽度和间距均为200-400μm，条纹与双层驱动器薄膜的长边夹角为0-180°。

进一步地，步骤(3)所述对双层驱动器薄膜的剪裁为沿图案化区域进行，得到条形驱动器薄膜，长度为3-6cm，宽度为1-3mm。

本发明还提供了利用应变累积实现复杂运动的方法在湿度响应驱动方面的应用，即利用石墨烯氧化物吸水后膨胀的特性，对su-8/石墨烯氧化物双层驱动器进行驱动，以实现各种复杂变形和运动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、利用图案化双层驱动器中的惰性层来提供应变累积，实现了对驱动器弯曲方向的精准调控，并能进一步实现各种复杂运动和变形，提高了微机械的操控灵活度；

(2)、利用掩膜板的多重条纹图案对双层驱动器的惰性层进行一次曝光，即可在驱动响应中实现预设的复杂运动效果，也大大简化了对复杂运动的驱动难度。

附图说明

图1为本发明的一种利用应变累积实现复杂运动的驱动器的结构示意图；

图2为本发明的利用条纹图案化惰性层控制驱动器弯曲取向的原理示意图；

图3为本发明的利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器的制备方法的流程示意图；

图4为本发明的利用应变累积驱动实现复杂运动的双层驱动器的图案化惰性层的扫描电镜图；

图5为利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器应用于湿度响应驱动的图案化条纹示意图和对应的复杂变形图；

其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1分别为不同惰性层图案化条纹示意图，a2、b2、c2、d2、e2、f2分别为不同模拟图案化条纹控制变形效果的纸质模型图，a3、b3、c3、d3、e3、f3分别为湿度响应下不同双层驱动器的复杂变形效果实物图；a-f的图案化条纹的组合方式分别为：a-与驱动器长边夹角为0°的单重条纹；b-与驱动器长边夹角为135°的单重条纹；c-与驱动器长边夹角为120°的单重条纹；d-与驱动器长边夹角分别为135°和0°的双层条纹；e-与驱动器长边夹角分别为0°、45°和0°的三重条纹；f-与驱动器长边夹角分别为0°、135°、45°和0°；

图6为本发明的利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器应用于湿度响应驱动的复杂运动图；

其中，6(a)-6(d)分别为在t＝0s,1s,10s和12s各个时刻双层驱动器的变形情况和运动位置。

具体实施方式

实施例1

利用条纹图案化惰性层控制双层驱动器弯曲取向。

对双层驱动器结构中的惰性层进行条纹图案化，驱动器在受到外界刺激响应时只沿条纹排布方向进行弯曲，从而通过图案化实现了对驱动器弯曲取向的操控。其原理为，在活性层快速响应发生形变时，每条惰性层条纹在其带动下均沿自身短轴方向发生显著弯曲(即条纹排布方向)，这是由于沿短轴方向弯曲时所克服的应力远小于沿长轴方向。当惰性层条纹均沿其排布方向弯曲时，所发生的应变沿此方向累积起来，从而使得整个双层驱动器只沿这一特定方向弯曲。

利用应变累积驱动实现复杂运动的驱动器的制备方法，具体步骤如下：

(1)、活性层制备：所用活性层材料为石墨烯氧化物，所用石墨烯氧化物溶液浓度为4mg/ml；在玻璃衬底上滴涂5ml石墨烯氧化物溶液，经过室温下4h晾干，形成厚度为8μm的活性层薄膜。

其中，用hummer’s方法合成石墨烯氧化物的具体步骤为：所用试剂为nano3、石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾和过氧化氢；首先，将2gnano3和2g石墨粉在冰浴条件下、以缓慢搅拌的方式混入90ml浓硫酸(浓度98％)；然后，缓慢加入7g高锰酸钾，保持冰浴条件并以800r/min的转速搅拌60min；随后，将混合物依次升温至35℃和90℃，并这两个温度点搅拌保温并缓慢注入去离子水，保温时间分别为2h和15min，注入去离子水量依次为80和200ml，所用注水时间分别为30min和5min，保持搅拌转速为800r/min；再缓慢加入10ml过氧化氢(体浓度30％)，关掉加热并继续搅拌8min，然后使其沉降18h；沉降完毕后倒掉上层清液，用去离子水稀释酸性产物，并以8000r/min的转速离心12min，重复15次，直至上层清液ph值为7；最后，将产物悬浊液以1200r/min的转速离心10min，重复5次，直至无肉眼可见的黑色石墨颗粒，即得到浓度为4mg/ml的石墨烯氧化物溶液。

(2)、惰性层制备及图案化：所用惰性层材料为su-8光刻胶，所用稀释su-8光刻胶的溶液为环戊酮，稀释比例为su-8与环戊酮的质量比2:1，所用掩膜板为单重条纹图案的定制掩膜板，条纹宽度和间距均为200μm，条纹与双层驱动器薄膜长边夹角为0°。首先，在活性层薄膜上旋涂稀释的su-8光刻胶，所用稀释su-8光刻胶的容量为3ml，旋涂转速为6000rpm，旋涂时间为30s；旋涂完毕后在80℃下前烘15min，形成厚度为8μm厚的惰性层薄膜；然后，取定制单重条纹的掩膜板，置于惰性层上方并进行紫外曝光8min，完毕后取下掩膜板，将惰性层在110℃下后烘10min，并使用su-8专用显影液显影10s；最后，将光刻胶/石墨烯氧化物双层薄膜从玻璃衬底上揭下，得到双层驱动器薄膜。

(3)、驱动器组装组装；依据所要实现的复杂变形，对双层驱动器薄膜沿图案化区域进行剪裁，得到所需的条形驱动器薄膜，长度为6cm，宽度为1mm。

由图1，利用应变累积实现复杂运动的驱动器具有双层结构，其中图案化惰性层1起到决定弯曲取向的作用，而活性层起到对外界刺激迅速响应并驱动弯曲的作用。

由图2可知，未施加外界刺激时，双层驱动器呈自然平直状态；当施以外界刺激时，双层驱动器下层活性层迅速发生弯曲，同时带动上层惰性层弯曲；由于每条惰性层条纹沿自身短轴方向弯曲时所克服的应力较小，因此整个惰性层最终沿条纹排布方向(即条纹短轴方向)发生显著弯曲，即实现了利用条纹取来决定双层驱动器的弯曲取向。

由图3可知，利用应变累积驱动的双层驱动器的制备流程为，在玻璃衬底上滴涂石墨烯氧化物活性层→在活性层上旋涂su-8惰性层→覆盖掩膜板并对惰性层薄膜进行紫外曝光→显影，得到具有一定条纹组合的图案化惰性层→将双层薄膜从玻璃衬底剥离，最终获得双层驱动器结构。

由图4可知，经过图案化的惰性层包含多条均匀条纹，条纹宽度和间距均为200μm。

实施例2

利用多重条纹图案化惰性层实现复杂变形。

既然在惰性层引入一组图案化条纹可以赋予双层驱动器沿条纹排布方向的特定弯曲取向，那么只要在惰性层引入不同排布方向的多重条纹区，即可使驱动器在响应时完成扭转、螺旋等各种复杂变形。而利用石墨烯氧化物和su-8分别构成双层驱动器的活性层和惰性层，其驱动原理为：在湿度条件刺激下，石墨烯氧化物因含有大量氧官能团，在吸收水分子后体积会迅速膨胀并带动惰性层发生显著弯曲，从而使整个双层驱动器具有良好湿度响应。

利用多重条纹图案化惰性层实现复杂变形，具体步骤如下：

(1)、活性层制备：同实施例1。

(2)、惰性层制备及图案化：同实施例1。所用惰性层材料为su-8光刻胶，所用稀释su-8光刻胶的溶液为环戊酮，稀释比例为su-8与环戊酮的质量比2:1，所用掩膜板为1-4重条纹图案的定制掩膜板，条纹宽度和间距均为150μm，多重条纹与双层驱动器薄膜长边夹角为0-45°-120°-135°。

(3)、驱动器组装组装；依据所要实现的复杂变形，对双层驱动器薄膜沿图案化区域进行剪裁，得到所需的条形驱动器薄膜，长度为3cm，宽度为3mm；

(4)、湿度驱动变形：利用加湿器对整形完毕的湿度响应的双层驱动器进行湿度刺激，使其发生进行各种复杂变形。

由图5可知，在受到湿度刺激后，湿度响应的双层驱动器可依据惰性层条纹的排布和组合方式发生相应的各种复杂变形。条纹的排布方向决定了双层驱动器的弯曲方向。因此，在惰性层上进行分区设置多重不同排布方向的条纹，则赋予双层驱动器多个弯曲/扭转方向，从而实现图中各种复杂变形。

实施例3

利用多重条纹图案化实现复杂运动。

经过条纹图案化惰性层的双层驱动器，在响应时会发生沿条纹排布方向的定向弯曲。因此，只要根据所需运动的方式和维度将多个双层驱动器拼接起来，即可得到能够实现复杂运动的驱动器。

利用变角度曝光制备具有复合周期的多级结构应用于结构色仿生，具体方法为：

(1)、活性层制备：同实施例1。

(2)、惰性层制备及图案化：同实施例1。所用惰性层材料为su-8光刻胶，所用稀释su-8光刻胶的溶液为环戊酮，稀释比例为su-8与环戊酮的质量比2:1，所用掩膜板为1-4重条纹图案的定制掩膜板，条纹宽度和间距均为150μm，多重条纹与双层驱动器薄膜长边夹角为0°。

(3)、驱动器组装组装；依据所要实现的复杂运动，对双层驱动器薄膜沿图案化区域进行剪裁，得到三条所需的条形驱动器薄膜，长度为6cm，宽度为1mm；通过将三条双层驱动器薄膜的短边边缘两两粘贴，拼接成一体的爬虫型驱动器，其中中间的驱动器惰性层在下，两边的驱动器惰性层在上；

(4)、湿度驱动爬行：利用加湿器对整形完毕的湿度响应的双层驱动器进行湿度刺激，使其发生弯曲并在应力作用下爬行。

由图6可知，拼接形成的爬虫型驱动器在受到外界湿度刺激时，两边的驱动器向上弯曲，中间的驱动器由于惰性层在下，所以向下弯曲。弯曲产生的应力使得爬虫驱动器向前爬行，即通过图案化惰性层的应变累积实现了了爬行。