电化学驱动人工肌肉纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种人工肌肉纤维的制备方法，特别涉及一种电化学驱动人工肌肉纤维及其制备方法和应用，属于材料科学技术领域。

背景技术：

自然生物体采用肌肉纤维作为动力装置从而获得驱动的效果。人工肌肉(artificialmuscle)是一类可在外界刺激(光、电、热、溶剂、磁等)下产生可逆的伸缩运动和转动运动的新型智能驱动材料，在柔性助力系统、柔性外骨骼及仿真机器人等方面都有重要的应用前景。如何模拟生物肌肉，制备出人工肌肉纤维，是最近科学家致力于研究的热点课题。高性能人工肌肉纤维的研发将大大推动小巧、强劲、灵活的机器人、假肢的设计，并可将其应用于生物医学领域。

常用的人工肌肉纤维材料包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纤维、聚合物线(聚乙烯、尼龙、聚酰亚胺等)、镍钛丝、纤维素复合纤维、蜘蛛丝、蚕丝、形状记忆合金线等。

然而，目前的人工肌肉纤维还存在响应速率慢、驱动行程低、能量密度及功率密度低、效率低等诸多问题，如何获得快的响应速率、大的驱动行程、高的能量密度和功率密度、效率、以及规模化量产等仍是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种具有针对性调节的电化学驱动人工肌肉纤维及其制备方法和应用，通过结构设计可以实现大驱动行程、高能量密度、高效率的人工肌肉纤维，进而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维，其包括至少一股肌肉纱线，其中，所述肌肉纱线至少是由多根碳纳米管窄带依次经预卷曲、合股及加捻，直至形成均匀的螺旋结构后而获得，或者，所述肌肉纱线至少是通过将单根碳纳米管窄带加捻至形成均匀的螺旋结构而获得。

进一步的，所述碳纳米管窄带包括以浮动化学气相沉积法制备的碳纳米管窄带。

进一步的，所述碳纳米管窄带中的多个碳纳米管是无序交织的。

进一步的，所述碳纳米管窄带于长度方向上的拉伸强度大于50mpa；

在一些较为具体的实施方案中，所述肌肉纱线是由多根碳纳米管窄带依次经预卷曲、合股、加捻、过度加捻后获得。

进一步的，所述肌肉纱线至少是通过先将碳纳米管窄带沿长度方向卷取后形成预卷曲的碳纳米管纤维，之后再将多根预卷曲的碳纳米管纤维依次经合股、加捻，直至形成均的螺旋结构而获得。

在一些较为具体的实施方案中，所述肌肉纱线至少是通过将碳纳米管窄带依次进行加捻、过度加捻直至形成均匀的螺旋结构而获得。

在一些较为具体的实施方案中，所述的电化学驱动人工肌肉纤维包括多股肌肉纱线，所述电化学驱动人工肌肉纤维是将多根肌肉纱线以集束的方式组合后形成。

进一步的，所述人工肌肉纤维整体具有均匀的螺旋结构。

进一步的，所述加捻和过度加捻的捻度为200-10000转/米。

进一步的，所述电化学驱动人工肌肉纤维包括1-10根肌肉纱线。

进一步的，所述肌肉纱线的直径为20-5000μm，密度为1.2-5g/cm³。

本发明实施例还提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，其包括：

至少将多根碳纳米管窄带依次进行预卷曲、合股、加捻至形成均匀的螺旋结构而形成肌肉纱线，或者，至少将碳纳米管窄带进行加捻直至形成均匀的螺旋结构而获得肌肉纱线，所述肌肉纱线即为所述的电化学驱动人工肌肉纤维。

进一步的，所述的制备方法包括：以浮动化学气相沉积法制备所述碳纳米管窄带。

进一步的，所述碳纳米管窄带中的多个碳纳米管是无序交织的。

进一步的，所述碳纳米管窄带于长度方向上的拉伸强度大于50mpa。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：将多根碳纳米管窄带依次进行预卷曲、合股及加捻、过度加捻直至形成均匀的螺旋结构，从而形成肌肉纱线。

进一步的，所述的制备方法包括：先将碳纳米管窄带沿长度方向卷取形成预卷曲的碳纳米管纤维，然后再将多根再预卷曲的碳纳米管纤维依次进行合股、加捻直至形成均匀的螺旋结构，从而获得肌肉纱线。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：将碳纳米管窄带依次进行加捻、过度加捻至形成均匀的螺旋结构，从而获得肌肉纱线。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法还包括：将多股肌肉纱线以集束的方式组合形成电化学驱动人工肌肉纤维。

进一步的，所述人工肌肉纤维整体具有均匀的螺旋结构。

进一步的，所述加捻、过度加捻的捻度为2000-10000转/米。

进一步的，所述多根肌肉纱线为1-10根。

进一步的，所述肌肉纱线的直径为20-5000μm，密度为1.2-5g/cm³。

本发明实施例还提供了所述电化学驱动人工肌肉纤维于制备智能驱动机构中的用途。

本发明实施例还提供了一种智能驱动机构，其包括：

所述的电化学驱动人工肌肉纤维；以及

与所述电化学驱动人工肌肉纤维接触的电解质液，其中至少部分电解质液进入所述人工肌肉纤维内部；

所述人工肌肉纤维还与电源电连接。

本发明实施例还提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维，其包括至少一股肌肉纱线，且所述肌肉纱线具有均匀的螺纹结构；其中，所述肌肉纱线为导电纤维，所述导电纤维包括碳纳米管纤维和/或碳纳米管复合纤维。

进一步的，所述碳纳米管纤维包括采用浮动催化法、湿法纺丝、干法纺丝中任意一种方法制备的碳纳米管纤维。

进一步的，所述碳纳米管复合纤维包括碳纳米管及与碳纳米管复合的过渡金属氧化物和/或导电聚合物，所述过渡金属氧化物包括二氧化锰、二氧化钌、二氧化钒中的任一种或多种的组合，所述导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩中的任一种或多种的组合。

进一步的，所述肌肉纱线是由多根预卷曲的导电纤维依次经合股、加捻、过度加捻后形成，或者，所述肌肉纱线是由导电纤维加捻后形成。

进一步的，所述电化学驱动人工肌肉纤维是由多股肌肉纱线以集束的方式组合形成。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，至少将碳纳米管窄带沿长度方向卷曲后形成预卷曲碳纳米管纤维，将多根预卷曲纤维依次进行合股、加捻后得到肌肉纱线，或者，将碳纳米管窄带依次进行加捻、过度加捻后得到肌肉纱线，该肌肉纱线的径向截面具有与洋葱的纵向截面类似的螺纹或螺旋结构，进而增大了碳纳米管窄带的比表面积；

2)本发明实施例提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，该方法将多根肌肉纱线进行集束，在螺旋与螺旋之间、肌肉纱线与肌肉纱线之间以及碳管与碳管之间均具有微纳级孔道；

3)本发明实施例提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，可以根据不同需求制备出满足不同要求的人工肌肉纤维，在该在人工肌肉纤维内部引入大量微纳级孔道，并通过并束或合股的方式提高人工肌肉纤维的能量密度和驱动行程。

附图说明

图1是本发明实施例1、实施例2中一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法的流程结构示意图；

图2是本发明实施例3中一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法的流程结构示意图；

图3是本发明实施例1中一种电化学驱动人工肌肉纤维的电压随时间的变化曲线图，以及，本发明实施例1、对比例1中工作电极的驱动量随时间的变化曲线图；

图4是本发明实施例2、对比例2中工作电极在不同负载应力下的能量密度；

图5是本发明实施例3、对比例3中工作电极在不同负载应力下的能量密度。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，该方法可针对具体目标要求(如达到大驱动行程、高能量密度等)来实现各种性能的要求；其中，该方法以浮动化学气相沉积法制备的碳纳米管纤维为最初的原材料，通过对其进行不同结构的设计，从而满足不同的目标要求，如高的响应速率、大的驱动行程以及高能量密度等。

本发明实施例提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维，其包括至少一股肌肉纱线，其中，所述肌肉纱线至少是由多根碳纳米管窄带依次经预卷曲、合股及加捻，直至形成均匀的螺旋结构后而获得，或者，所述肌肉纱线至少是通过将碳纳米管窄带加捻至形成均匀的螺旋结构而获得。

在一些较为具体的实施方案中，所述肌肉纱线是由多根碳纳米管窄带依次经预卷曲、合股、加捻、过度加捻后获得。

进一步的，所述肌肉纱线至少是通过先将碳纳米管窄带沿长度方向卷取后形成预卷曲的碳纳米管纤维，之后再将多根预卷曲的碳纳米管纤维依次经合股、加捻，直至形成均的螺旋结构而获得。

在一些较为具体的实施方案中，所述肌肉纱线至少是通过将碳纳米管窄带依次进行加捻、过度加捻直至形成均匀的螺旋结构而获得。

本发明实施例还提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，其包括：

以浮动化学气相沉积法制备所述碳纳米管窄带；

至少将多根碳纳米管窄带依次进行预卷曲、合股、加捻至形成均匀的螺旋结构而形成肌肉纱线，或者，至少将碳纳米管窄带进行加捻直至形成均匀的螺旋结构而获得肌肉纱线，所述肌肉纱线即为所述的电化学驱动人工肌肉纤维。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：先将碳纳米管窄带沿长度方向卷取形成预卷曲的碳纳米管纤维，然后再将多根预卷曲的碳纳米管纤维依次进行合股、加捻直至形成均匀的螺旋结构，从而获得肌肉纱线。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：将单根碳纳米管窄带依次进行加捻、过度加捻至形成均匀的螺旋结构，从而获得肌肉纱线。

本发明实施例还提供了一种电化学驱动人工肌肉纤维，其包括至少一股肌肉纱线，且所述肌肉纱线具有均匀的螺纹结构；其中，所述肌肉纱线为导电纤维，所述导电纤维包括碳纳米管纤维和/或碳纳米管复合纤维。

其中，所述肌肉纱线为导电纤维，所述导电纤维包括碳纳米管纤维和/或碳纳米管复合纤维；所述碳纳米管纤维包括采用浮动催化法、湿法纺丝、干法纺丝中任意一种方法制备的碳纳米管纤维，或者，所述碳纳米管复合纤维包括碳纳米管及与碳纳米管复合的过渡金属氧化物和/或导电聚合物，所述过渡金属氧化物包括二氧化锰、二氧化钌、二氧化钒中的任一种或多种的组合，所述导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩中的任一种或多种的组合。

需要说明的是，采用加捻的方式形成肌肉纱线的捻度为2000-10000转/米；当对肌肉纱线进行加捻时，获得的纤维会形成均匀的螺旋结构。

具体的，请参阅图1，以4股合股为例，一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法包括如下步骤：

1)以浮动化学气相沉积法制备的碳纳米管窄带作为原材料，碳纳米管窄带的长度为5-50cm、宽度为0.2cm-3cm、厚度为20μm-500μm、密度为1.2g/cm³-5g/cm³，该碳纳米管窄带中的多个碳纳米管是无序交织的，且该碳纳米管窄带于长度方向上的拉伸强度大于50mpa；

沿其长度方向进行卷曲，得到预卷曲的碳纳米管纤维，预卷曲的碳纳米管纤维的直径为20-5000μm，密度为1.2-5g/cm³；

2)将四根相同的预卷曲碳纳米管纤维进行合股、加捻、过度加捻，得到4股预卷曲碳纳米管纤维合股的碳纳米管肌肉纱线，即电化学驱动人工肌肉纤维。

具体的，请参阅图2，以3股集束为例，一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法包括如下步骤：

1)以浮动化学气相沉积法制备的碳纳米管窄带作为原材料，该碳纳米管窄带的长度为5-50cm、宽度为0.2cm-3cm、厚度为20μm--500μm、密度为1.2g/cm³-5g/cm³，该碳纳米管窄带中的多个碳纳米管是无序交织的，且该碳纳米管窄带于长度方向上的拉伸强度大于50mpa；

将该碳纳米管窄带进行加捻直至过度加捻(捻度为2000-10000转/米)，得到具有均匀螺旋结构的碳纳米管肌肉纱线，该碳纳米管肌肉纱线的直径为20-5000μm，密度为1.2-5g/cm³；

2)将三根相同的具有螺旋结构的碳纳米管肌肉纱线进行集束，进而得到人工肌肉纤维，即电化学驱动人工肌肉纤维。

当然，集束的碳纳米管纱线不限于3股、4股，也可以为1-10股或其它数量进行集束。

本发明中的采用碳纳米管纤维包括但不限于湿法纺丝、静电纺丝等方法获得的碳纳米管纤维、碳纳米管复合纤维(碳纳米管复合过渡金属氧化物，如二氧化锰、二氧化钌、二氧化钒等，导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩等)。

实施例1

请参阅图1，取长度约为20cm、宽度约为700μm、以浮动催化法制备的碳纳米管窄带，沿着其长度方向进行卷曲，形成直径为140μm的预卷曲碳纳米管纤维。

取四根相同的预卷曲碳纳米管纤维进行合股，之后继续进行加捻(其捻度为2800转/米)，直至形成均匀的螺旋结构，进而得到四股预卷曲碳纳米管纤维合股的人工肌肉纱线，即人工肌肉纤维，该人工肌肉纤维的长度约为6cm，其直径约为125μm；

以该人工肌肉纤维作为电化学驱动体系的工作电极，以硝酸活化(1m/l的hno3采用cv法活化20圈)后的碳纳米管薄膜作为对电极，以ag/ag⁺电极作为参比电极，将0.2m四乙基四氟硼酸铵(tea·bf4)溶解于碳酸丙烯酯溶剂中作为电解质溶液。

将三电极体系组装好，利用电化学驱动装置进行驱动数据的采集，利用电化学工作站进行电化学数据的采集；电化学工作站参数设置：电化学工作站模式采用计时电流法，高电压：2.5v；低电压：0v；频率：0.1hz；循环：2圈。

同时启动驱动采集系统及电化学工作站，得到在方波电压下，人工肌肉纤维的驱动量随时间的变化曲线如图3所示。

对比例1

取长度约为12cm、以浮动催化法制备的碳纳米管窄带，直接通过加捻装置将其进行加捻(捻度约为6000转/米)，直至形成均匀的螺旋结构，进而得到单股肌肉纱线，即人工肌肉纤维，其长度约为3cm，直径约为100μm；

以该人工肌肉纤维作为电化学驱动体系的工作电极，以硝酸活化(1m/l的hno3采用cv法活化20圈)后的碳纳米管薄膜作为对电极，以ag/ag⁺电极作为参比电极，将0.2m四乙基四氟硼酸铵(tea·bf4)溶解于碳酸丙烯酯溶剂中作为电解质溶液。

将三电极体系组装好，利用电化学驱动装置进行驱动数据的采集，利用电化学工作站进行电化学数据的采集；电化学工作站参数设置：电化学工作站模式采用计时电流法，高电压：2.5v；低电压：0v；频率：0.1hz；循环：2圈。

同时启动驱动采集系统及电化学工作站，得到在方波电压下，人工肌肉纤维的驱动量随时间的变化曲线如图3所示。

实施例2

请参阅图1，取长度约为20cm、宽度约为700μm、以浮动催化法制备的碳纳米管窄带，沿着其长度方向进行卷曲，形成直径为140μm的预卷曲碳纳米管纤维；

取四根相同的预卷曲碳纳米管纤维合股后继续进行加捻(其捻度约为2800转/米)，直至形成均匀的螺旋结构，进而得到四股预卷曲碳纳米管纤维合股的肌肉纱线，即人工肌肉纤维，该人工肌肉纤维的长度约为6cm，直径约为125μm；

以该人工肌肉纤维作为电化学驱动体系的工作电极，以硝酸活化(1m/l的hno3采用cv法活化20圈)后的碳纳米管薄膜作为对电极，以ag/ag⁺电极作为参比电极，将0.2m四乙基四氟硼酸铵(tea·bf4)溶解于碳酸丙烯酯溶剂中作为电解质溶液。

将三电极体系组装好，利用电化学驱动装置进行驱动数据的采集，利用电化学工作站进行电化学数据的采集。电化学工作站参数设置：电化学工作站模式采用计时电流法，高电压：2.5v；低电压：0v；频率：0.1hz；循环：2圈。

改变不同的负载应力，计算得到人工肌肉纤维在不同负载应力下的能量密度图，如图4所示。

对比例2

取长度约为12cm、以浮动催化法制备的碳纳米管窄带，直接通过加捻装置将其进行加捻(其捻度约为6000转/米)，直至形成均匀的螺旋结构，进而得到单股肌肉纱线，即人工肌肉纤维，其长度约为3cm，直径约为100μm；

以该人工肌肉纤维作为电化学驱动体系的工作电极，以硝酸活化(1m/l的hno3采用cv法活化20圈)后的碳纳米管薄膜作为对电极，以ag/ag⁺电极作为参比电极，将0.2m四乙基四氟硼酸铵(tea·bf4)溶解于碳酸丙烯酯溶剂中作为电解质溶液。

将三电极体系组装好，利用电化学驱动装置进行驱动数据的采集，利用电化学工作站进行电化学数据的采集。电化学工作站参数设置：电化学工作站模式采用计时电流法，高电压：2.5v；低电压：0v；频率：0.1hz；循环：2圈。

改变不同的负载应力，计算得到人工肌肉纤维在不同负载应力下的能量密度图，如图4所示。

实施例3

请参阅图2，取长度约为20cm、宽度约为700μm、以浮动催化法制备的碳纳米管窄带，通过加捻装置将碳纳米管窄带进行加捻(其捻度为6000转/米、捻角为45°)直至形成具有均匀螺旋结构的肌肉纱线；该肌肉纱线的其长度为5cm，直径约为100μm；

将三根同样的肌肉纱线进行集束，得到三股肌肉纱线集束的人工肌肉纤维；

以该人工肌肉纤维作为电化学驱动体系的工作电极，以硝酸活化(1m/l的hno3采用cv法活化20圈)后的碳纳米管薄膜作为对电极，以ag/ag⁺电极作为参比电极，将0.2m四乙基四氟硼酸铵(tea·bf4)溶解于碳酸丙烯酯溶剂中作为电解质溶液。

将三电极体系组装好，利用电化学驱动装置进行驱动数据的采集，利用电化学工作站进行电化学数据的采集，电化学工作站参数设置：电化学工作站模式采用计时电流法，高电压：2.5v；低电压：0v；频率：0.1hz；循环：2圈。

改变不同的负载应力，计算得到人工肌肉纤维在不同负载应力下的能量密度图如图5所示。

对比例3

请参阅图2，取长度约为20cm、宽度约为700μm、以浮动催化法制备的碳纳米管窄带，通过加捻装置将碳纳米管窄带进行加捻(其捻度为6000转/米、捻角为45°)直至形成具有均匀螺旋结构的肌肉纱线，即人工肌肉纤维，该人工肌肉纤维的其长度为5cm，直径约为100μm；

以单股肌肉纱线的人工肌肉纤维作为电化学驱动体系的工作电极，以硝酸活化(1m/l的hno3采用cv法活化20圈)后的碳纳米管薄膜作为对电极，以ag/ag⁺电极作为参比电极，将0.2m四乙基四氟硼酸铵(tea·bf4)溶解于碳酸丙烯酯溶剂中作为电解质溶液。

将三电极体系组装好，利用电化学驱动装置进行驱动数据的采集，利用电化学工作站进行电化学数据的采集，电化学工作站参数设置：电化学工作站模式采用计时电流法，高电压：2.5v；低电压：0v；频率：0.1hz；循环：2圈。

改变不同的负载应力，计算得到人工肌肉纤维在不同负载应力下的能量密度图如图5所示。

本发明提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，将碳纳米管窄带进行预卷曲获得预卷曲碳纳米管纤维，将多根预卷曲碳纳米管纤维合股后进一步加捻形成具有均匀螺旋结构的肌肉纱线，由于预卷曲的存在，在肌肉纱线的截面上形成了大量的微孔道，多股肌肉纱线集束后，又在螺旋与螺旋之间、肌肉纱线与肌肉纱线之间以及碳管与碳管之间均形成大量的微纳级孔道，这大大的增大了肌肉纤维的比表面积，提高了电解质液与肌肉纤维内部的接触面积，为离子的快速传输提供了通道，可以达到增加驱动性能的效果，一方面加快了响应速率，(响应速率可以由图3下方图的曲线得出，曲线的斜率越大，响应速率越快)，另一方面可以增大驱动行程(驱动行程可以由图3下方图的纵坐标得出，纵坐标数值越大，驱动行程越大)；此外，预卷曲碳纳米管纤维合股后还可提高能量密度的目的；同样地，将多根单股碳纳米管肌肉纱线以集束的方式组合也可以起到增大能量密度的目的。

本发明中的碳纳米管窄带是通过化学气相沉积法生长形成，且多个碳纳米管窄带之间的组合方式有所不同，可以通过合股或者是集束的方式进行组合；以及，本发明提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的驱动方式是电化学驱动，该电化学驱动人工肌肉纤维通过合股及集束的方法可增加孔隙率，提高肌肉纱线与电解质液的有效接触面积，为离子的快速传输提供通道。

本发明实施例提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法，将碳纳米管窄带沿其长度方向进行预卷曲，得到的预卷曲碳纳米管纤维，将多根预卷曲碳纳米管纤维的合股并加捻后获得肌肉纱线，该肌肉纱线的径向截面具有与洋葱的纵向截面类似的螺纹或螺旋结构呈现出类洋葱状的螺旋或螺纹结构，进而增大了碳纳米管窄带的比表面积；以及，本发明实施例提供的一种电化学驱动人工肌肉纤维的制备方法可以根据不同需求制备出满足不同要求的人工肌肉纤维，在该在人工肌肉纤维内部引入大量微纳级孔道，并通过并束或合股的方式提高人工肌肉纤维的能量密度和驱动行程。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。