柔性蠕动泵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械领域，具体涉及一种利用智能软材料结合特定结构的柔性蠕动 粟。
【背景技术】
[0002] 如中国专利CN101918714所述的传统的蠕动粟由驱动器，粟头和弹性软管H部分 构成，利用粟头内的机械结构对软管进行挤压和释放，使软管中的流体定向流动。由于在流 体运输中，流体只接触粟管而不接触粟体，因而二次污染少、密封性好，能输送固、液或气液 混合物，包括腐蚀性液体和气敏感的物料W及各种食品。但是由于其设计限制，导致传统蠕 动粟驱动器W及粟头部分含有大量刚性的机械结构，例如齿轮、传动轴、弹黃、较链、螺钉、 螺栓等等，降低了蠕动粟的结构稳定性(易发生结构失效)，产生一定的传动噪音，影响了蠕 动粟的使用寿命；而弹性软管由于长期受到挤压也导致其结构易老化和破损，并对粟头造 成损害，增加了使用成本。并且，大量刚性的机械结构使得传统的蠕动粟在现有的技术特征 下，难W进一步小型化，因而不适用于空间较小的场合(例如人体内），也难W满足生物相容 性要求，因而不能作为人造器官，例如用于制造人工也脏，人工膀脫等。
[0003] 现代智能软材料技术的发展，通过材料与结构相结合的设计，为研发新型的高效 率，快速响应，低噪音，高经济性、高生物相容性的蠕动粟提供了可能，新型蠕动粟在实现传 统蠕动粟功能的同时能进一步简化蠕动粟的结构，提高蠕动粟的结构稳定性、驱动效能、降 低驱动噪音W及使用维护成本，还可W获得较好的生物相容性，可进一步用于生物医学，例 如用于制造人工也脏，人工膀脫等。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用智能软材料的 本征应变产生驱动力的柔性蠕动粟。
[0005] 本发明针对传统蠕动粟的缺点包括结构复杂，工作效率不高，噪音等问题，结合传 统蠕动粟的驱动原理（机械挤压）与智能软材料的利用本征应变W及大变形的驱动特性， 实现了蠕动粟结构简化，降低了蠕动粟的运行噪音。相对于传统蠕动粟的复杂驱动结构， 智能软材料通过本征应变的驱动方式，结合短粗的囊状结构，将驱动力更为直接的传递到 内部的流体上，从而省略了传统的蠕动粟的复杂机械结构(例如电机，齿轮传动机构、弹黃、 较链、螺钉、螺栓等)。由于减少了机械机构，进一步降低了运行噪音，同时结构的简化提高 了蠕动粟的运行时的稳定性。另一方面简单的结构便于蠕动粟的小型化(例如粟的总体积 可W小于100cm3,甚至小于10cm3)，通过改变囊状结构的大小可W提供小体积的蠕动粟。 本发明提供的新型蠕动粟将智能软材料本征应变特性结合相应的粟结构，可W制得小体积 的、具有生物相容性的蠕动粟，可用于人造器官领域，例如人工也脏，人工膀脫等多种用途。
[0006] 本发明采用采用的技术方案如下： 一种柔性蠕动粟，其特征在于：所述的柔性蠕动粟包括粟单元，连接单元和固定单元， 所述的粟单元为一个或多个，其中： 所述的粟单元为至少一个开口的囊状结构，所述的囊状结构为短粗的空腔结构，构成 所述囊状结构的材料为智能软材料；所述的开口用于流体的输入与输出；所述的连接单元 通过所述的开口连接各个粟单元；所述的固定单元用于支撑各个粟单元。
[0007] 本发明所述的蠕动粟利用智能软材料的本征应变产生驱动力，所述的智能软材料 是指在外加激励（不包含力场），例如电场、磁场、热场、光场、电磁场等作用下，产生的形状 变化的特殊材料，力学上表现为刚度和模量很小，可承受较大的变形，其自由形变可恢复； 所述的本征应变是指材料在外加激励，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场等作用下产生的 形变，该种形变不需要依赖外界的力载荷，也即该种形变是材料自身产生的，例如由于温度 变化产生的热胀冷缩。本发明所述的粟单元在内部流体压强的作用下产生变形，当粟单元 受到外加激励之后，由于本征应变的作用，所述的智能软材料在宏观上表现为变软，此时在 内部流体压力的作用下，所述粟单元进一步膨胀，外部流体流入粟单元内，当外加激励撤去 之后，所述粟单元收缩，从而使粟单元内的流体流出。智能软材料通过本征应变的驱动方式 将驱动力更为直接的传递到内部的流体上，从而省略了传统的蠕动粟的复杂机械结构(例 如电机，齿轮传动机构等)，结合短粗的囊状结构，可进一步提高蠕动粟的工作性能，由于减 少了机械机构，进一步降低了运行噪音，同时结构的简化提高了蠕动粟的运行时的稳定性。
[0008] 进一步的，所述粟单元的体积变化率> 70% ;所述的体积变化率是指 在外加激励后粟单元的相对体积变化率（relativevariationofvolume),即 AFW，其中AF为粟单元在工作过程中的体积变化量，所粟单元的初始体积。传统的蠕 动粟受限于驱动原理(机械挤压)，只能通过提高粟的管径提高粟头单次挤压过程中粟的输 运能力，而管径的提高需要更大功率的驱动电机，同时为了保证管的使用寿命，对管材质的 要求更高，从而提高了传统蠕动粟的使用成本。而采用智能软材料制作的蠕动粟结合短粗 囊状结构，两者结合可W使得粟单元在单次工作时，拥有远大于传统蠕动粟的体积变化率 (> 70%，甚至> 100%)，亦即更强的粟单元的单次输运能力，从而提高蠕动粟的运输能力。
[0009] 进一步的，本发明所述的粟单元的尺寸可为2ym~20cm，相应的蠕动粟的体积约 为8ym3~10000cm3。作为优选，所述粟单元的尺寸为1mm~10cm，相应的蠕动粟的体积约 为1mm3~1000cm3。更进一步的，所述粟单元的尺寸为1cm~5cm，相应的蠕动粟的体积约 为Icm]~100cm3。
[0010] 进一步的，所述囊状结构的整体形状为短粗结构，其最长维度的长度不超过其他 维度长度的15倍；囊状结构壁厚在其最长维度的1/20W下。囊状结构采用短粗结构，可W 大大提高所述粟单元的稳定性和机械性能。研究发现，在不失稳定性的情况下，短粗结构可 W使得粟单元在相同外加激励作用下体积变形率明显提高。
[0011] 囊状结构的整体形状为短粗结构。在同等压强下，短粗结构能保证粟单元难W发 生局部失稳，例如局部鼓包等不稳定性状，从而增强蠕动粟的稳定性。而保证较高的稳定 性，粟单元的短粗结构能使得智能软材料在压强作用下变形最大化。粟单元为至少一个开 口的囊状结构，如图1、图2所示，所述的开口用于流体的输入与输出。当囊状结构的开口为 一个时(如图1所示)，则连接单元内的阀口为双向阀，并且连接单元需要做成T形接头巧口 图6的（a)图所示)，T形接头的中部出口（竖直方向）与粟单元连接，其余两个出口分别为 流体入口与流体出口连接。当囊状结构的开口为两个W上时，则连接单元可采用短管结构， 则连接单元内的阀口为单向阀巧日图6的化）图所示)，单向阀在连接单元内部，连接单元两 侧连接有粟单元，流体从一个粟单元经过连接单元的单向阀流入另一个粟单元，实现流体 输运。
[0012] 更进一步的，所述囊状结构的具体形状可W为球体，楠球体（图1)，平行六面体， 管状（图2)等多种形状。例如，当所述的囊状结构为长方体时，所述的最长维度即为最长 的边，具体地，所述长方体最长边的长度不超过最短边长度的15倍；当所述的囊状结构为 楠球体时，所述的最长维度即为楠球体的长轴，具体地，所述楠球体长轴的长度不超过短轴 长度的15倍。囊状结构壁厚在其最长维度的1/20W下。
[0013] 作为优选，若采用管状粟单元，应采用短管结构，囊状结构长径比在15W下，可W 调高粟单元的稳定性与工作性能；优选的，囊状结构长径比在10W下；更优选的，囊状结构 长径比为2~5,管径应在1ym~20cm为佳。
[0014] 进一步的，所述的囊状结构由驱动薄膜构成，所述驱动薄膜的两侧粘合有柔性电 极，所述粟单元的驱动力由所述驱动薄膜的收缩和舒张产生。所述的驱动薄膜是由智能软 材料制成的薄膜（membrane),具有可延展性，大变形特征，同时可W被直接驱动，可W通过 外加激励(不含力场)，例如磁场、热场、光场、电磁场产生本征应变。若驱动薄膜采用电场作 为外界激励，则驱动薄膜两侧需附有柔性电极层。所述柔性电极层在蠕动粟工作过程中主 要作为导电作用，因而在具备一定的导电特性的同时，应尽可能的降低柔性电极层的拉伸 模量，减少其对粟单元功能的影响，例如可W采用碳膏，含银导电膏，或者直接在驱动薄膜 表面喷涂纳米金属电极层。另一方面，在粟单元工作过程中，柔性电极层的导电特性，例如 电阻不应发生较大变化。更进一步的，所述的粟单元还包括保护层。所述的保护层将驱动 薄膜与外界的环境隔绝开，对内部的驱动薄膜起保护作用，防止驱动薄膜与所运输流体W 及周围环境的相互作用。所述保护层与所述的驱动薄膜互相粘合，所述的保护层包覆在所 述驱动薄膜的外部。
[0015] 进一步的，当所述的外加激励为磁场、热场、光场、电磁场等时，所述的粟单元还可 W仅由驱动薄膜及其外部的保护层组成，所述的保护层包覆在所述驱动薄膜的外部，对内 部的驱动薄膜起保护作用，防止驱动薄膜与所运输流体W及周围环境的相互作用。
[0016] 本发明所述的保护层可采用喷涂保护膜或者粘附一层比驱动薄膜更薄且拉伸模 量更低的橡胶类材料，应尽可能选择模量小并具有较好的抗腐蚀，耐油，耐老化，绝缘的材 料。例如3M公司生产V皿胶带材料。若蠕动粟用于生物体内部用作人造器官时，保护层还 应具有一定的生物相容性，例如3M的医用丝網，W满足医学要求。
[0017] 进一步的，所述的驱动薄膜为经过预拉伸的柔性薄膜，预拉伸可有效提高所述驱 动薄膜的驱动性能，进一步提高结构稳定性。所谓的预拉伸即对于所述的驱动薄膜在工作 之前施加一定的拉伸应变，例如对于正方形薄膜可W沿着垂直于边长方向施加双向的预拉 伸载荷，并通过外界框架约束保持该一应变作为驱动薄膜的初始状态，该一过程即为施加 预拉伸的过程。如果囊状结构采用管状结构，则可W在制作粟单元时，对所述驱动薄膜同