本发明属于柔性机器人技术领域，具体涉及利用还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜与聚合物薄膜构成光驱动的集成式人工关节，并通过激光对多个人工关节进行独立、灵活的驱动，从而实现具备人手的基本功能的柔性机械手。
技术背景
柔性机器人是机器人的一类重要分支。相比于传统的金属等刚性材料构成的机器人，柔性机器人具有易变形(弯曲、折叠和膨胀等)、易复原以及对各种工作环境良好适应性和对人体的安全性等优势。可见，柔性机器人对传统机器人在特性和功能上具有显著的互补性，能够覆盖并填补很多传统机器人受限的应用领域，包括生物医学、传感器和仿生学等方面。
目前，用于加工柔性机器人的材料主要有水凝胶、聚合物和人造橡胶等柔性材料。而为了实现柔性机器人最基本的运动和各种力学功能，可用的外部驱动力可以是电、磁、光、热、湿度等单一刺激乃至双重刺激。然而，考虑到机器人的每个组成部件的运动自由度和各种基本力学功能的相应复杂度，要实现对这些部件的独立控制则意味着必须装载大量驱动器并一一实施控制驱动。比如，以最常见的机械手型机器人为例，需要在各个指骨关节处设置驱动器(至少15个)并进行独立的驱动控制，才能实现类似人手最基本的运动和功能(手指移动、弯曲和抓握等)。现有的柔性机器人技术多采用在需要控制的节点或部件处逐一设置驱动器，然后再以通路(电路或气路)对各个驱动器进行连通并进行集中驱动控制。基于此种“驱动器-通路”设计的柔性机器人往往具有结构复杂、控制不够灵活和工艺繁琐等问题，利用现有技术难以解决。
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：提供一种基于激光局域改性的集成式人工关节。以石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜和聚合物薄膜构成的双层薄膜作为柔性机械手的类肌肉组织原材料，利用激光局域改性还原机械手每个指骨关节处的石墨烯氧化物，使得这些关节位置的双层薄膜直接转化为光驱动器，从而获得多个可独立进行光驱动的、集成式的人工关节，实现对柔性机械手的基本运动和力学功能控制。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于激光局域改性的集成式人工关节，所述人工关节为一片式手型双层薄膜结构，由关节驱动器1和肌肉支撑区2组成；
其中，所述的关节驱动器1包括下层的光驱动触发层3和上层的聚合物薄膜5，位于仿人手设计的相应指关节位置，用于控制每根柔性机械手指的运动和形变；
所述的肌肉支撑区2包括下层的光驱动非触发层4和上层的聚合物薄膜5，起到支撑、连接和集成各个关节驱动器2的人工肌肉的作用。
进一步地，所述光驱动非触发层4为石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，所述光驱动触发层3为经由激光局域改性得到的还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，其中，光驱动触发层3及光驱动非触发层4中的石墨烯氧化物与金纳米棒的质量比为3.25:1-8.12:1，光驱动触发层3的膜厚为1-2μm，光驱动非触发层4的膜厚2-10μm。
进一步地，所述聚合物薄膜5的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，膜厚为10-50μm。
进一步地，所述的关节驱动器1的数目为14-22个，分别位于五根手指的各个指关节处。
本发明还提供了基于激光局域改性的集成式人工关节在构成和操控柔性机械手方面的应用，即通过对多个集成式人工关节进行独立光驱动，从而实现柔性机械手手指的基本运动和抓取功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、利用激光局域改性在人工肌肉的关节位置处直接生成并集成光驱动器，大大简化了制备工艺和柔性机器人结构；
(2)、采用一束激光控制一个关节的独立操控，使得对柔性机器人的控制更为直接、快速和灵活。
附图说明
图1为本发明的一种基于激光局域改性的集成式人工关节的结构示意图；
图中：关节驱动器1、肌肉支撑区2、光驱动触发层3、光驱动非触发层4、聚合物薄膜5；
图2为本发明一种组装的柔性机械手的仿人手示意图；
图3为本发明的一种组装的柔性机械手的实物图；
图4为本发明的一种基于激光局域改性的集成式人工关节的单束激光驱动图；
其中，(a)-(d)依次为光驱动食指、中指、无名指和小指的第二关节；
图5为本发明的一种基于激光局域改性的集成式人工关节的两束激光驱动示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于激光局域改性的集成式人工关节，所述人工关节包括关节驱动器1和肌肉支撑区2；整个人工关节为手型双层薄膜结构；
所述关节驱动器1包括下层的光驱动触发层3和上层的聚合物薄膜5；当受到光驱动时，光驱动触发层3和聚合物薄膜5发生光热响应并膨胀，由于聚合物薄膜5的膨胀系数远大于光驱动触发层3，从而使得关节驱动器1向下弯曲；其中，光驱动触发层3起到增强光吸收和提升光响应速度的作用；
所述肌肉支撑区2包括下层的光驱动非触发层4和上层的聚合物薄膜5，起到支撑、连接和集成各个关节驱动器的作用；
所述光驱动非触发层4为石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，所述光驱动触发层3为经由激光局域改性得到的还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜。
实施例2
利用单束激光驱动基于激光局域改性的集成式人工关节。
本发明提出的集成式人工关节，利用激光局域改性的方法直接将多个光驱动器集成至柔性机械手的关节位置，并支持激光对关节驱动器“一一对应”的方式进行驱动，从而大大提高了驱动的灵活度。
利用单束激光驱动基于激光局域改性的集成式人工关节的方法，具体步骤如下：
(1)、组装柔性机械手；
具体步骤为：所用集成式人工关节上的关节驱动器数目为14个，分别位于各个指骨关节处，所用柔性机械手手骨由激光切割pdms(聚二甲基硅氧烷)薄膜得到，厚度2mm，包含14块离散指骨和1块一体式掌骨加腕骨；按照人手结构将每块手骨粘到手型人工关节的肌肉支撑区上方的对应位置，即完成柔性机械手组装；
(2)、单束激光驱动关节驱动器：
具体步骤为：所用人工关节的光驱动触发层3厚度为2μm，光驱动非触发层4厚度为1μm，聚合物薄膜5厚度为10μm。所用光驱动光源为二氧化碳激光器，波长为808nm；将激光器光斑打至所要驱动的关节驱动器处，该关节即发生弯曲，带动相应手指随之弯折。
由图2和图3可知，仿人手设计的柔性机械手可由14块离散的指骨和一块一体式的掌骨加腕骨构成骨架部分，然后再依据结构设计将这些骨架粘到尺寸相仿的手型集成式人工关节上，即可得到一个厘米量级的柔性机械手。
由图4可知，通过依次用单束激光对柔性机械手的食指、中指、无名指和小指的第二指关节进行光驱动，可使得相应手指发生快速弯折形变，说明基于激光局域改性的集成式人工关节具有高效的光驱动效果。
实施例3
利用两束激光驱动基于激光局域改性的集成式人工关节。
基于激光局域改性的集成式人工关节的各个关节驱动器具有可独立操控的一对一光驱动特性，无需通路和集中控制的复杂设计。只要提供多个激光光源分别对相应个数的关节驱动器进行分别驱动控制，即能实现柔性机械手更多形变乃至力学功能。
利用两束激光驱动基于激光局域改性的集成式人工关节的方法，具体步骤为：
(1)、柔性机械手组装：步骤和参数同实施例1；所用人工关节的光驱动触发层3厚度为10μm，光驱动非触发层4厚度为2μm，聚合物薄膜5厚度为50μm。
(2)、所用光驱动光源为两个二氧化碳激光器，波长均为808nm，分别提供两束激光；将两个激光器光斑分别打至所要驱动的关节驱动器处，这些关节即发生弯曲，带动相应手指随之弯折。
由图5可知，利用两束激光可对一个手指的两个指关节分别进行光驱动，使得两个关节驱动器均发生弯曲，最终手指呈现抓握的弯折状态。可见，采用两束乃至多束激光对多个关节驱动器进行分别驱动，有望实现柔性机械手各种灵活复杂的力学功能。