一种基于光驱动的柔性致动器

本发明涉及致动器领域，具体涉及一种基于光驱动的柔性致动器。

背景技术：

1、柔性致动器可以在感知外界刺激的前提下，应对不同的工作环境可以表现出连续的多自由度的变形以及工作模式，同时也能够为人机交互提供多样、安全的操作界面。智能响应柔性致动器已经实现了多样的驱动方式，其中，清洁且来源广泛的光驱动被认为是最有潜力的驱动方式。光既可以在对柔性致动器影响较小的前提下实现远程空间上的控制，还可以通过任意调节光学参数(波长、强度和光照时间)来精确地控制驱动过程。基于光响应的柔性致动器在柔性机器人、仿生学以及智能穿戴等领域都得到了广泛应用。

2、光热效应是最有效的光驱动方式之一，而光热剂则是实现光热柔性致动器驱动的核心。常用的无机光热剂例如碳基纳米材料和金属纳米颗粒，由于具有较高的光热转换效率和优异的导热性能而受到青睐；但往往需要复杂的制作工艺以及昂贵的成本。相比于无机光热剂，有机光热剂(聚多巴胺、聚吡咯等)普遍有较宽的吸收谱，并且与大多数热敏聚合物基底有更好的相容性，受吸收波长以及光热效率的影响常被用在医药领域中。本发明通过低频振动的手段将多种有机光热剂更大程度的分散于热敏基底中，大大提升了光驱动柔性致动器的光热效率。

技术实现思路

1、本发明针对有机光热剂在光驱动柔性致动器中的使用限制，往往为了追求更高的光热效率不仅需要引入复杂的化学合成过程，由此更有可能会对材料整体光热稳定性造成影响。于是提出了一种通过低频振动的方式在聚合物基底中多相分散有机光热剂的方案制备光驱动柔性致动器，一方面低频振动不会像高频或者超声给聚合物基底带来过高的温度，可以在基底中实现更高浓度、更均匀的分散效果，很大程度上优化了有机光热剂在光驱动柔性致动器中的光热效率，除此以外，避免了引入多余的化学反应，保持了有机光热剂本身所具备的优异的材料相容性，进而确保了整体的化学和物理稳定性；该光驱动柔性致动器的制作工艺简单、成本低，光热效率高，可以实现有效的光驱动。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述的致动器包括：掺杂了均匀分散的聚合物光热材料的光热薄膜层、氧化石墨烯涂层；所述光热薄膜层与氧化石墨烯涂层等离子键合在一起形成双层复合薄膜，当光照射弹性体复合材料时，由于作为光热层也是主动层的pdms的高热膨胀系数(cte)，由光热剂(聚多巴胺、聚吡咯)引起的光热加热将导致pdms层显著膨胀，另一方面，由于氧化石墨烯层的cte较低，其热膨胀可以忽略不计，两层光热膨胀变形的巨大差异导致柔性致动器整体的剧烈弯曲；所述的光致动器的制作流程包括：

4、在弱碱性环境下通过多巴胺单体自聚合并分离出聚多巴胺；

5、在酸性条件下通过吡咯单体氧化形成并分离出聚吡咯；

6、在pdms中加入聚多巴胺、聚吡咯粉末，加入一定的硅油以降低pdms的粘度，通过声频振动平台低频振动形成均匀的多相分散体系；

7、在上述pdms混合物中按比例加入固化剂，真空抽气后在等离子处理过的玻璃基板上旋涂形成均匀的pdms薄膜，然后在80℃下固化30分钟；

8、对固化好的pdms薄膜进行等离子体处理以提高亲水性；

9、将氧化石墨烯粉末分散于去离子水中，超声处理后涂覆在pdms薄膜表面，在50℃下干燥完全。

10、进一步地，所述pdms多相分散体系中pdms、ppy粉末、pda粉末、硅油的质量比为10:0.1:0.1:1(g)。pda与ppy粉末需重新分散于乙醇溶液中并超声处理，以便于声频振动时形成更均匀的分散系，减少光热剂粒子团簇的情况也可以进一步提高pdms光热薄膜的光热性能。

11、进一步地，单一光热剂在pdms中能分散的含量存在着阈值，过高便会导致颗粒的团聚进而影响光热薄膜的质量，而ppy和pda作为两种有机光热剂拥有着相近的性质以及优异的材料相容性，同时分散于pdms中不仅可以制备稳定性好的光热薄膜，同时可以提升可有效分散的光热剂含量，优化了任一光热剂下的光热性能。

12、进一步地，所述高粘度流体声频振动平台的振动参数设置为频率60hz、最大振幅4mm，时长5min。硅油的加入可以有效降低pdms的粘度，使其内部的光热粒子在低频振动下依然可以分散均匀，达到理想的分布状态。

13、进一步地，所述的pdms光热薄膜呈灰黑色、化学和物理稳定性好，内部光热剂均匀分布于薄膜内并与基底充分接触，保证了足够的光吸收与光热转换效率，利于产生均匀的弯曲形变，防止致动器的不规则变形；通过调节旋涂参数可以制造50-200μm具有均匀厚度梯度的pdms光热层。

14、进一步地，所述光致动器的弯曲性能是基于分散于活性层的光热剂的光热性能，由于pda、ppy拥有较宽的吸收谱，所以对紫外到红外的波长范围内的宽谱光照都展现出了优异的光热转换性能和光响应性，对于相同光照条件下不同波长的照明会展现出不同的响应形变。

15、进一步地，所述致动器的温度变化以及弯曲形变与光功率密度呈线性关系，光功率密度越大，柔性致动器的温度越高、弯曲角度越大，并且对光照没有角度依赖性，任何角度的照射都会展现出相同方向的弯曲形变。在一定功率的光照下，柔性致动器表面温度可上升至数百摄氏度，并在极短时间内响应至最大形变位置；当撤去激光时，致动器可迅速恢复到原来的状态，展现出了优异的光热转换性能和超高的光灵敏度。通过调节激光功率密度、光照面积可以精确控制致动器的角度变化范围。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于光驱动的双层柔性致动器，该光致动器具有光热效率高、光响应性能好、光敏性高、稳定性好、制做工简单、成本低的特点；该光致动器将多种有机光热剂(聚多巴胺、聚吡咯)结合在一起，充分发挥了材料相容性好的优势，并进一步有效优化了光热剂的光热性能，实现了该柔性致动器的高效光驱动与优异的光响应性能，为光驱动柔性致动器的应用开发开拓了道路。

技术特征：

1.一种基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述的光致动器包括：掺杂了均匀分散的聚合物有机光热剂(聚多巴胺-pda(3)、聚吡咯-ppy(4))的光热薄膜层(1)、氧化石墨烯涂层(2)；所述光热薄膜层(1)与氧化石墨烯涂层(2)等离子键合在一起形成双层复合薄膜(12)，当光照射弹性体复合材料时，由于作为光热层也是主动层的pdms的高热膨胀系数，由光热剂引起的光热加热将导致pdms层(1)显著膨胀，另一方面，由于氧化石墨烯层(2)的cte较低，其热膨胀可以忽略不计，两层光热膨胀变形的巨大差异导致柔性致动器整体的剧烈弯曲；所述的光致动器的制作流程包括：

2.根据权利要求1所述的基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述pdms多相分散体系中pdms、ppy粉末(4)、pda粉末(3)、硅油的质量比为10:0.1:0.1:1(g)。pda(3)与ppy(4)粉末需重新分散于乙醇溶液中并超声处理，以便于声频振动时形成更均匀的分散系，减少光热剂粒子团簇的情况也可以进一步提高pdms光热薄膜(1)的光热性能。

3.根据权利要求3所述的基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，单一光热剂在pdms中能分散的含量存在着阈值，过高便会导致颗粒的团聚进而影响光热薄膜的质量，而ppy(4)和pda(3)作为两种有机光热剂拥有着相近的性质以及优异的材料相容性，同时分散于pdms中不仅可以制备稳定性好的光热薄膜，同时可以提升可有效分散的光热剂含量，优化了任一光热剂下的光热性能。

4.根据权利要求1所述的基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述的高粘度流体声频振动平台(7)的振动参数设置为频率60hz、最大振幅4mm，时长5min。硅油的加入可以有效降低pdms的粘度，使其内部的光热粒子在低频振动下依然可以分散均匀，达到理想的分布状态。

5.根据权利要求1所述的基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述的pdms光热薄膜(1)呈灰黑色、化学和物理稳定性好，光热剂(3)、(4)均匀分布于薄膜内部并与基底充分接触，保证了足够的光吸收与光热转换效率，利于产生均匀的弯曲形变，防止致动器的不规则变形；通过调节旋涂参数可以制造50-200μm具有均匀厚度梯度的pdms光热层(1)。

6.根据权利要求1所述的基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述光致动器的弯曲性能是基于分散于活性层的光热剂的光热性能，由于pda(3)、ppy(4)拥有较宽的吸收谱，所以对紫外到红外的波长范围内的宽谱光照都展现出了优异的光热转换性能和光响应性，对于相同光照条件下不同波长的照明会展现出不同的响应形变。

7.根据权利要求1所述的基于光驱动的柔性致动器，其特征在于，所述致动器的温度变化以及弯曲形变与光功率密度呈线性关系，光功率密度越大，柔性致动器的温度越高、弯曲角度越大，并且对光照没有角度依赖性，任何角度的照射都会展现出相同方向的弯曲形变。在一定功率的光照下，柔性致动器(12)表面温度可上升至数百摄氏度，并在极短时间内响应至最大形变位置；当撤去激光时，致动器可迅速恢复到原来的状态，展现出了优异的光热转换性能和超高的光灵敏度。通过调节激光功率密度、光照面积可以精确控制致动器的角度变化范围。

技术总结
本发明公开了一种基于光驱动的柔性致动器，其中，光致动器由掺杂了均匀分散的聚合物光热材料的光热薄膜层与氧化石墨烯涂层的复合薄膜组成。由于光热薄膜层与氧化石墨烯层的热膨胀系数存在较大的差异，在受热时，两层材料的体积会随着温度变化而产生不同程度的变形，而热膨胀系数较大的光热薄膜层将作为主动层，使得双层光驱动器整体朝氧化石墨烯层产生均匀的曲率变化。而作为光热剂的聚合物(聚多巴胺、聚吡咯)是实现光热柔性致动器驱动的关键，通过多相分散的方法与基底材料充分接触传递热量，很大程度上提高了光热转化效率。本发明的光驱动柔性致动器的材料相容性好，具备稳定的物理和化学性质，另外，聚合物光热剂具有较宽的光吸收谱，可以吸收各个波长的光，通过对复合光热材料进行多相分散有效地改善并进一步提高了光热转换效率，可以实现有效的光热驱动。

技术研发人员：李敏,黄佩阳,涂鑫
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15