可重构三维微结构的力电耦合加载平台及其制备方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种可重构三维微结构的力电耦合加载平台可重构三维微结构的力电耦合加载平台及其制备方法。

背景技术：

近年来，三维微结构，尤其是可重构三维微结构，在生物医学器件、机器人、超材料、微电子机械系统等领域受到越来越多的重视，吸引了国内外众多的研究机构与学者的注意。可重构三维微结构是指可以通过某种加载或变换方式，使一个三维构型能够可逆地变换到其他不同的三维构型的结构。可重构微型天线、可重构磁控软体机器人、基于自组装方法的可重构医疗器件等具有实用性的可重构三维微结构相继被研究和报道。

现有技术中，屈曲诱导三维微结构组装方法是一种可靠的制备方法。该方法通过预拉伸弹性基体后部分释放，使部分粘贴在弹性基体上的二维构型在压缩应变作用下发生屈曲变形形成三维微结构。

上述屈曲诱导三维微结构组装方法依靠对预拉伸弹性基底的释放，从而实现三维微结构的组装。该方法可以实现三维微结构的组装，但是对于重构三维微结构，需要将组装的三维微结构恢复为二维结构，再通过改变加载路径进行重构。

技术实现要素：

基于上述现有技术的问题，本发明旨在提出一种可重构三维微结构的力电耦合加载平台及其制备方法，使三维微结构容易进行重构变换三维构型。

本发明提出一种可重构三维微结构的力电耦合加载平台，所述加载平台包括：

力加载组件，所述力加载组件包括底盘、多个夹持件、移动机构和弹性基底，所述多个夹持件中的至少一个连接于移动机构，所述夹持件夹持所述弹性基底，所述弹性基底为膜状，所述移动机构能够驱动所述夹持件移动，通过所述夹持件移动能够使所述弹性基底产生形变；以及

电加载组件，所述电加载组件包括导线，所述导线连接到所述弹性基底并用于向所述弹性基底通电，所述弹性基底的正反两面通过所述导线分别连接电源的正极和负极，所述弹性基底由电致活性聚合物制成。

优选地，所述电加载组件还包括电极，所述电极设置于所述弹性基底的正反两面，所述导线通过所述电极连接于所述弹性基底。

优选地，所述电极由能够变形的导电材料制成，使所述电极能够和所述弹性基底一起产生形变。

优选地，所述弹性基底由介电弹性体材料制成。

优选地，所述夹持件设置有导线接入部和导线接出部，所述导线接入部连接所述导线，所述导线接出部连接所述电源。

优选地，所述电加载组件还包括变压器，所述变压器连接于所述电源和所述导线之间，所述变压器能够将交流电转化为直流电并且使电压升高。

优选地，所述变压器能够使输出电压为两千伏至一万伏。

本发明还提出一种可重构三维微结构的制备方法，该方法包括：

将能够形成可重构三维微结构的平面结构部分地粘接于弹性基底；

将所述弹性基底连接于力加载组件的夹持部，所述夹持部移动使所述弹性基底变形，进而使所述平面结构或其变形后形成的三维微结构屈曲变形或发生重构；

所述弹性基底通电使所述弹性基底变形，所述弹性基底变形，进而使所述平面结构或其变形后形成的三维微结构屈曲变形或发生重构。

优选地，所述制备方法使用上述技术方案中任一项所述的可重构三维微结构的力电耦合加载平台。

优选地，所述制备方法包括为所述弹性基底通直流电。

通过采用上述技术方案，将力加载组件和电加载组件结合可以相比于现有技术形成更丰富的可重构三维微结构构型，并且容易使三维微结构实现快速重构。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施方式的加载平台的结构示意图。

图2示出了根据本发明的实施方式的加载平台的力加载组件(不含弹性基底)的结构示意图。

图3示出了根据本发明的实施方式的加载平台的力加载组件的夹持件和电加载组件的导线接入部、导线接出部的结构示意图。

图4a至图4d示出了由平面结构形成三维微结构的示意图。

图5示出了由平面结构形成的另一种三维微结构的示意图。

附图标记说明

1力加载组件11底盘12夹持件121凹槽122挤压部123螺钉13移动机构131滑轨132丝杠133电机14弹性基底

2电加载组件21、21a、21b电极22导线23导线接入部24导线接出部

x第一方向y第二方向。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

在现有技术中，基于屈曲诱导方法制备可重构三维微结构具有以下缺点：

(1)加载平台通过机械加载来实现，使加载路径单一且加载速度慢。

(2)夹具的加载路径不易改变，两种不同构型的三维微结构不能直接转换，而需要重新恢复到平面状态再转换到另外一种三维构型，利用屈曲诱导的方法不适用于组装可重构三维微结构。

(3)通过夹具的移动对弹性基底加载后，弹性基底形成的应变场分布较为单一，无法形成复杂的应变场，进而无法制成复杂的三维微结构。

如图1至图4所示，本发明提出一种可重构三维微结构的力电耦合加载平台，其包括力加载组件1和电加载组件2，力加载组件1和电加载组件2连接在一起，从而通过施加外力和电压使平面结构变形为三维微结构，并且可以通过改变电加载的方式使三维微结构重构为另一种的构型。三维微结构的尺寸通常为纳米级或微米级。

如图1和2所示，力加载组件1包括底盘11、夹持件12、移动机构13和弹性基底14，夹持件12设置有多个，多个夹持件12通过移动机构13连接于底盘11，夹持件12可以通过移动机构13的驱动而相对于底盘11移动。弹性基底14被夹持件12所夹持，弹性基底14为膜状，通过夹持件12相互远离的移动可以使弹性基底14被拉伸或者通过夹持件12相互靠近的移动使被预拉伸的弹性基底14释放预拉伸的形变。

在本实施方式中，移动机构13和夹持件12设置有4个，移动机构13可以驱动夹持件12沿第一方向x和第二方向y移动，4个夹持件中的两个可以沿第一方向x移动，另外两个可以沿第二方向y移动，第一方向x和第二方向y可以相互垂直。

弹性基底14可以为电致活性聚合物薄膜，例如介电弹性体、具有电致变形效应的硅橡胶或水凝胶。

如图2所示，移动机构13包括滑轨131、丝杠132和电机133。电机133固定连接于底盘11，丝杠132连接于电机133的输出轴。滑轨131连接于底盘11，滑轨131与丝杠132平行设置，夹持件12套设于丝杠132并且通过螺纹配合，夹持件12与滑轨131配合连接使夹持件12能够沿滑轨131的延伸方向滑动。

如图3所示，夹持件12设置有能够容纳弹性基底14的端缘凹槽121，凹槽121中设置有挤压部122，挤压部122可以为板状。螺钉123与夹持件12通过螺纹配合连接，螺钉123能够转动地连接于挤压部122。通过旋转螺钉123能够使挤压部122接近凹槽121的侧壁，通过挤压部122和凹槽121的侧壁来固定弹性基底14。

电机133连接于电机信号控制器，可以由电机信号控制器控制电机的旋转，进而通过电机旋转使夹持件12沿滑轨131移动，三维微结构的构型与夹持件12的移动量有关。

如图1和图3所示，电加载组件2包括柔性电极21、导线22、导线接入部23、导线接出部24和变压器。应当理解，图3中仅示例性地示出了一条导线22，导线22可以为多条，多条导线22可以和一个或多个夹持件12处的导线接入部和导线接出部电连接。

弹性基底14连接有电极21，电极21和导线22可以使用例如石墨碳膏等能够弹性变形的导电材料制成，电极21可以分别设置在弹性基底14的正反两面，每个电极21连接一根导线22，石墨碳膏可以被涂抹形成圆形。弹性基底14的正反两面通过导线22分别连接电源的正极和负极。

导线接入部23和导线接出部24设置于夹持部12，导线22连接于导线接入部23，导线接出部24通过导线(未示出)与变压器连接。通过导线接入部23和导线接出部24使导线22连接方便便捷。变压器能够将交流电转化为直流电并且使电压升高，变压器连接于电源和导线22之间。

虽然上面对本发明的实施方式进行了详细的描述，但是还有以下几点需要说明。

(1)虽然在上述实施方式中，每个夹持件12均通过移动机构13连接于底盘11，但是本发明不限于此，多个夹持件12中的部分夹持件12也可以固定连接于底盘11。

(2)虽然在上述实施方式中，夹持件12的设置了4个，并且移动机构13驱动夹持件12移动的方向为相互垂直的第一方向x和第二方向y。但是本发明不限于此，夹持件12的具体数量和移动机构13的移动方向、位置关系可以根据需要组装的可重构三维微结构的具体形式来设置。

(3)虽然在上述实施方式中，电极21为圆形，但是本发明不限于此，电极的形状和数量可以根据需要组装的可重构三维微结构的具体形式来设置。

(4)虽然在上述实施方式中，移动机构13使用电机133驱动丝杠132的方式驱动夹持件12移动，但是本发明不限于此，移动机构还可以使用气动导轨、液压导轨或手动操作等。

(5)虽然在上述实施方式中，公开了夹持部12的具体结构，但本发明不限于此，夹持部12只要能够夹紧弹性基体14即可，可以使用现有技术中的夹持部件代替。

参考图4a至图4d，本发明还提出一种制备可重构三维微结构的方法，该方法包括如下步骤或工序。

准备工作，准备如图4a所示的能够形成可重构三维微结构的平面结构100(下面简称为平面结构)，将电极21a、21b印刷于弹性基底14并将平面结构100粘接于弹性基底14，并且将弹性基底14安装于上述加载平台。加载平台能够拉伸弹性基底或者使预拉伸的弹性基底释放预拉伸应变，并且能够对电极21a通电。

力加载，对弹性基底14施加外力使弹性基底14产生弹性变形，从而使粘接于弹性基底14的平面结构发生面外屈曲形成中间态的立体构型200。如图4b所示，对预拉伸的弹性基底14释放预拉伸应变，使如图4a的平面结构变形为如图4b的中间态的立体构型200。

电加载，对电极21通高压直流电，电压例如为两千伏至一万伏，优选地三千伏至六千伏。由于弹性基底14的电致变形作用，电极21的区域会发生面内扩张，从而带动中间态的立体构型200再次发生变形。图4c示出了电极21a和21b与中间态的立体构型200的位置关系，在电极21a通电后弹性基底14在电极21a的区域内会发生电致变形作用，形成如图4d所示的三维微结构300。

通过改变电极21的位置、形状或电压的大小，可以使相同的三维微结构构型发生不同的形变，例如将图4c所示的电极21b，在电极21b通电后就可以形成如图5所示的三维微结构400。通过改变电极的位置、形状或电压的大小，也可以由图4d所示的三维微结构300直接重构为如图5所示的三维微结构400，容易使三维微结构实现快速重构。

可以理解，在同一时间可以对全部或者部分电极通电，本申请对此不作限制。在设置多个电极的情况下，可以用这些电极重构不同的三维微结构。

可以理解，不同性质的电极21，通电后产生的电致变形不同，进而弹性基体14的应变场分布不同，电加载相对于屈曲诱导的多轴拉伸可以产生更复杂的应变场分布，进而形成复杂多变的三维微结构构型。

上述实施方式先进行力加载然后再进行电加载，但是本发明不限于此，力加载和电加载的顺序可以改变，例如先进行电加载然后再进行力加载，或者同时进行力加载和电加载。在电加载过程中，力加载可以保持或停止；在力加载过程中，电加载可以保持或停止。通过力加载和电加载顺序的调整可以形成种类丰富的不同的可重构三维微结构。