电化学人工肌肉体系及电化学人工肌肉测试装置

1.本发明特别涉及一种电化学人工肌肉体系及电化学人工肌肉测试装置，属于材料科学技术领域。


背景技术：

2.人工肌肉纤维作为一类智能智能材料体系，能够在外界刺激下产生可逆的体积形变。外界刺激通常包括电刺激、光刺激、湿度/溶剂刺激、电化学刺激等。经过十几年的发展，人工肌肉纤维以及具备了大的收缩量、大的收缩应力、以及高功率/能量密度。近年来在软体机器人、机械外骨骼等领域展现出了广阔的应用前景。在人工肌肉的发展过程中一系列的纤维材料应用其中，例如碳纳米管纤维、形状记忆合金线、石墨烯纤维、尼龙高分子纤维、液晶弹性体纤维等。基于形状记忆合金线的旋转驱动器，在焦耳热的刺激下可以实现16
°
mm-1
的旋转驱动，其最大旋转速度达到了10500rpm。
3.目前，science robotics杂志报道了一中基于液晶弹性体的人工肌肉纤维。通过静电纺丝技术制备了液晶弹性体纤维，该纤维在近红外光的刺激下能够产生60％的收缩量，响应速度达到120％s-1
。彭慧胜课题组报道了一种基于多级碳纳米管纤维的溶剂驱动人工肌肉纤维，在乙醇蒸汽的作用下，纤维能够收缩60％，同时，由于多级孔隙的存在，使得纤维具有快速响应的能力，基于这种纤维制备的柔性织物可以提升自身重量100倍的铜球。
4.基于碳纳米管纤维制备的芯-鞘结构的电化学人工肌肉纤维产生的能量密度高达2.35j g-1
。然而在目前所报道的人工肌肉中，几乎所有的人工肌肉都是在外界刺激一直存在的条件下，才能维持驱动性能。当外界刺激撤除的时候，纤维的收缩也跟着消失，这就使得在驱动收缩的过程中需要源源不断的外界刺激，从而使得驱动过程消耗了许多能量。另外，在驱动过程中，只有小部分能量转换为机械能，其余能量则被耗散掉。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种电化学人工肌肉体系及电化学人工肌肉测试装置，以克服现有技术中的不足。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
7.本发明实施例提供了一种电化学人工肌肉体系，包括：
8.工作电极，包括具有螺旋结构的导电纤维；
9.对电极，含有选定金属元素；
10.电解质，包括含有选定离子的离子液体，所述选定离子中包含所述选定金属元素；
11.其中，所述工作电极、对电极均与所述电解质接触，
12.当向工作电极和对电极施加指定电压，以对所述电化学人工肌肉体系进行充电时，所述选定离子能够嵌入所述导电纤维内，从而使所述导电纤维沿自身长度方向收缩，且当撤除向工作电极和对电极施加的指定电压时，所述选定离子能够持续嵌入所述导电纤维内，并使所述导电纤维保持收缩状态；
13.当使所述电化学人工肌肉体系对外放电时，所述选定离子能够自所述导电纤维内脱出，从而使所述导电纤维恢复至初始长度。
14.本发明实施例还提供了一种电化学人工肌肉测试装置，包括：
15.所述的电化学人工肌肉体系，所述工作电极的一端被固定；以及，
16.负载，与所述工作电极的另一端固定连接，且能够沿所述工作电极的长度方向对所述工作电极进行牵拉；
17.位移监测机构，其至少用于测量所述负载的位移。
18.与现有技术相比，本发明的优点包括：
19.1)本发明实施例提供的一种基于铝离子电池体系的人工肌肉体系，具有收缩保持特性，即在施加电压时人工肌肉纤维收缩，在撤除电压后，人工肌肉纤维的收缩状态仍然能够得到保持，在450s内几乎无任何衰减；
20.2)本发明实施例提供的一种基于铝离子电池体系的人工肌肉体系，将驱动功能和储能进行耦合，在人工肌肉纤维驱动的过程中可以将外界输入的能量进行储存，储存的能量可以为用电器进行供能，从而避免能量的浪费；
21.3)本发明实施例提供的一种基于铝离子电池体系的人工肌肉体系，制作工艺简单，可扩大批量生产，有利于实现产品化。
附图说明
22.图1是本发明实施例1中提供的一种电化学人工肌肉测试装置的结构示意图；
23.图2是本发明实施例1中提供的一种人工肌肉纤维的驱动曲线；
24.图3是在施加2.2v的方波电压后碳纳米管纤维的驱动量；
25.图4是实施例1中提供的一种两电极的铝离子电池体系在不同的电流密度下恒流充放电曲线。
具体实施方式
26.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。
27.本发明实施例提供了一种基于电池体系的电化学人工肌肉体系，该电化学人工肌肉体系在选定离子嵌入和脱出时，可以产生体积膨胀和收缩，进而实现宏观上的收缩和舒张，并且，该电化学人工肌肉体系，在移除外界的刺激(施加的电压)后，电化学人工肌肉体系的收缩状态能够得到保持。
28.同时，本发明实施例提供了一种基于电池体系的电化学人工肌肉体系，将驱动和储能进行了耦合，使得该电化学人工肌肉体系在驱动的同时将电化学能进行储存，从而为其他用电器件提供能量。
29.本发明实施例提供了一种电化学人工肌肉体系，包括：
30.工作电极，包括具有螺旋结构的导电纤维；
31.对电极，含有选定金属元素；
32.电解质，包括含有选定离子的离子液体，所述选定离子中包含所述选定金属元素；
33.其中，所述工作电极、对电极均与所述电解质接触，
34.当向工作电极和对电极施加指定电压，以对所述电化学人工肌肉体系进行充电时，所述选定离子能够嵌入所述导电纤维内，从而使所述导电纤维沿自身长度方向收缩，且当撤除向工作电极和对电极施加的指定电压时，所述选定离子能够持续嵌入所述导电纤维内，并使所述导电纤维保持收缩状态；
35.当使所述电化学人工肌肉体系对外放电时，所述选定离子能够自所述导电纤维内脱出，从而使所述导电纤维恢复至初始长度。
36.在一具体实施方式中，所述工作电极为通过对导电纤维进行加捻直至形成螺旋结构而获得。
37.在一具体实施方式中，所述具有螺旋结构的导电纤维的捻度为1000转每米-5000转每米。
38.在一具体实施方式中，所述具有螺旋结构的导电纤维的直径为10μm-500μm。
39.在一具体实施方式中，所述导电纤维包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、石墨纤维、碳纤维中的一种或两种以上的组合，但不限于此。
40.在一具体实施方式中，所述选定离子包括alcl
4-、锂离子、锌离子中的任意一种，但不限于此。
41.在一具体实施方式中，所述离子液体包括emimalcl4离子液体或者含锂离子和/或锌离子的盐溶液，但不限于此。
42.在一具体实施方式中，所述对电极所含金属元素包括铝、锂、锌元素中的任意一种或两种以上，但不限于此。
43.在一具体实施方式中，所述对电极的材质包括铝、锂、锌中的任意一种或两种以上金属形成的合金，但不限于此。
44.在一具体实施方式中，当撤除向工作电极和对电极施加的指定电压时，所述导电纤维能够保持收缩状态的最长时间为450s。
45.在一具体实施方式中，所述指定电压为0-2.2v。
46.在一具体实施方式中，所述工作电极的电化学容量为20-100mah g-1
，优选为44mah g-1
，在驱动过程中注入电化学人工肌肉体系中的能量可以被存储，降低能量损耗。
47.本发明实施例还提供了一种电化学人工肌肉测试装置，包括：
48.所述的电化学人工肌肉体系，所述工作电极的一端被固定在电极夹上；以及，
49.负载，与所述工作电极的另一端固定连接，且能够沿所述工作电极的长度方向对所述工作电极进行牵拉；
50.位移监测机构，其至少用于测量所述负载的位移。
51.在一具体实施方式中，所述位移监测机构包括位移传感器。
52.在一具体实施方式中，所述的电化学人工肌肉测试装置，还包括：阴极和阳极，所述阴极与所述工作电极电连接，所述阳极与所述对电极电连接，所述阴极和阳极用于与电源连接并对所述电化学人工肌肉体系充电，以及，用于与用电负载连接并对所述电化学人工肌肉体系放电。
53.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的导电纤维、电极、电解质、位移传感器、负载、电源等可以均可以通过市购获得，在此不对其具体的结构和参数进行限定和说
明。
54.实施例1
55.一种电化学人工肌肉测试装置的制作方法，可以包括如下过程：
56.1)人工肌肉纤维的制备
57.首先，将碳纳米管纤维进行加捻，具体操作步骤如下：将碳纳米管纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对碳纳米管纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；
58.2)测试体系构筑
59.将无水氯化铝加入到[emim]cl中，得到emimalcl4离子液体，并以emimalcl4离子液体作为电解质；
[0060]
将加捻后的碳纳米管纤维作为工作电极，以铝片作为对电极，使碳纳米管纤维、铝片分别独立地与电解质接触，从而构筑两电极的铝离子电池体系；
[0061]
将工作电极的一端与阴极电连接，另一端与负载连接，连接工作电极和负载的连接线绕过滑轮，使负载能够沿工作电极的长度方向进行牵拉；
[0062]
将对电极与阳极电连接；
[0063]
以位移传感器监测负载的位移量，形成的测试体系的结构如图1所示；
[0064]
3)测试表征
[0065]
在0.2a g-1
的电流密度下对两电极的铝离子电池体系进行恒流充放电，并以位移传感器测量作为工作电极的碳纳米管纤维的驱动量，其驱动曲线如图2所示，从图2可以看出，在充电的过程中，作为工作电极的碳纳米管纤维逐渐收缩，在充电至2.2v时，碳纳米管纤维的驱动收缩量达到了最大值为16％；在放电的过程中，碳纳米管纤维的驱动量逐渐减小至0，图3是在施加2.2v的方波电压后碳纳米管纤维的驱动量，由图3可以看出，在施加电压的瞬间，碳纳米管纤维发生收缩，且驱动量逐渐变大，在4s后驱动量达到了9％，然后停止施加电压，碳纳米管纤维的收缩状态得到了保持，且在停止施加电压450s后，碳纳米管纤维的驱动量仍然没有发生衰减。
[0066]
图4是本发明实施例中的两电极的铝离子电池体系在不同的电流密度下恒流充放电曲线，由图4可以看出，在200ma g-1
的电流密度下，两电极的铝离子电池体系的容量为44mah g-1
，在2000ma g-1
的电流密度下，两电极的铝离子电池体系的容量为38.2mah g-1
，在电流密度增大10倍的情况下，容量仅衰减13％，这显示了本发明实施例提供的两电极的铝离子电池体系良好的倍率性能，同时在整个过程中库伦效率都维持在接近100％。
[0067]
本发明实施例提供了一种基于电池体系的电化学人工肌肉体系的驱动机理主要是依赖于离子嵌入和脱出，在充电时，离子嵌入到电极材料中，使得电极材料发生膨胀，在宏观上表现出收缩，在放电时，离子脱出电极，电极体积恢复，宏观上表现出人工肌肉长度恢复。针对确切的电池体系，如铝离子电池体系，就是在充电时，alcl
4-嵌入碳纳米管纤维电极，使得碳纳米管纤维的直径增大，从而实现碳纳米管纤维长度收缩；当放电时，alcl
4-从碳纳米管纤维中脱出，使得碳纳米管纤维的径向尺寸恢复，宏观上表现出碳纳米管纤维长度恢复。
[0068]
实施例2
[0069]
本实施例中的一种电化学人工肌肉测试装置的结构和制作过程与实施例1基本一
致，在此不再对相同的部分进行说明，实施例2与实施例1的不同之处主要在于：
[0070]
1)人工肌肉纤维的制备
[0071]
将石墨烯纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物的质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对石墨烯纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；
[0072]
2)测试体系构筑
[0073]
将无水氯化铝加入到[emim]cl中，得到emimalcl4离子液体，并以emimalcl4离子液体作为电解质；将加捻后的石墨烯纤维作为工作电极，以铝片作为对电极，使石墨烯纤维、铝片分别与电解质接触，从而构筑两电极的铝离子电池体系。
[0074]
实施例3
[0075]
本实施例中的一种电化学人工肌肉测试装置的结构和制作过程与实施例1基本一致，在此不再对相同的部分进行说明，实施例3与实施例1的不同之处主要在于：
[0076]
1)人工肌肉纤维的制备
[0077]
将石墨纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物的质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对石墨纤维进行加捻，直到形成螺旋结构。
[0078]
2)测试体系构筑
[0079]
将无水氯化铝加入到emimcl中，得到emimalcl4离子液体，并以emimalcl4离子液体作为电解质；将加捻后的石墨纤维作为工作电极，以铝片作为对电极，使石墨纤维、铝片分别与电解质接触，从而构筑两电极的铝离子电池体系。
[0080]
实施例4
[0081]
本实施例中的一种电化学人工肌肉测试装置的结构和制作过程与实施例1基本一致，在此不再对相同的部分进行说明，实施例4与实施例1的不同之处主要在于：
[0082]
1)人工肌肉纤维的制备
[0083]
将碳纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物的质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对碳纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；
[0084]
2)测试体系构筑
[0085]
将无水氯化铝加入到[emim]cl中，得到emimalcl4离子液体，并以emimalcl4离子液体作为电解质；将加捻后的碳纤维作为工作电极，以铝片作为对电极，使碳纤维、铝片分别与电解质接触，从而构筑两电极的铝离子电池体系。
[0086]
实施例5
[0087]
本实施例中的一种电化学人工肌肉测试装置的结构和制作过程与实施例1基本一致，在此不再对相同的部分进行说明，实施例5与实施例1的不同之处主要在于：
[0088]
1)人工肌肉纤维的制备
[0089]
将碳纳米管纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物的质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对碳纳米管纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；
[0090]
2)测试体系构筑
[0091]
将无水氯化铝加入到尿素中，得到离子液体，并以离子液体作为电解质；将加捻后的碳纳米管纤维作为工作电极，以铝片作为对电极，使碳纳米管纤维、铝片分别与电解质接触，从而构筑两电极的铝离子电池体系。
[0092]
实施例6
[0093]
本实施例中的一种电化学人工肌肉测试装置的结构和制作过程与实施例1基本一致，在此不再对相同的部分进行说明，实施例6与实施例1的不同之处主要在于：
[0094]
1)人工肌肉纤维的制备
[0095]
将碳纳米管纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物的质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对碳纳米管纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；
[0096]
2)测试体系构筑
[0097]
将锂离子的有机溶液作为电解质，将加捻后的碳纳米管纤维作为工作电极，以锂片作为对电极，使碳纳米管纤维、锂片分别与电解质接触，从而构筑两电极的铝离子电池体系。
[0098]
实施例7
[0099]
本实施例中的一种电化学人工肌肉测试装置的结构和制作过程与实施例1基本一致，在此不再对相同的部分进行说明，实施例7与实施例1的不同之处主要在于：
[0100]
1)人工肌肉纤维的制备
[0101]
将碳纳米管纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物(重物的质量为1-10g)，以0-200rpm的转速对碳纳米管纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；
[0102]
2)测试体系构筑
[0103]
将锌离子溶液作为电解质，然后将加捻后的碳纳米管纤维电极为工作电极，以锌片为对电极，使碳纳米管纤维、锌片分别与电解质接触，从而构筑两电极的锌离子电池体系。
[0104]
本案发明人参照实施例1中的测试方法对实施例2-7中的电化学人工肌肉体系进行了测试，测试结果与实施例1基本一致。
[0105]
本发明实施例提供的一种基于铝离子电池体系的人工肌肉体系，具有收缩保持特性，即在施加电压时人工肌肉纤维收缩，在撤除电压后，人工肌肉纤维的收缩状态仍然能够得到保持，在450s内几乎无任何衰减，从而克服了现有人工肌肉纤维需要保持刺激来维持人工肌肉纤维收缩的弊端。
[0106]
本发明实施例提供的一种基于铝离子电池体系的人工肌肉体系，将驱动功能和储能进行耦合，在人工肌肉纤维驱动的过程中可以将外界输入的能量进行储存，储存的能量可以为用电器进行供能，从而避免能量的浪费。
[0107]
本发明实施例提供的一种基于铝离子电池体系的人工肌肉体系，制作工艺简单，可扩大批量生产，有利于实现产品化。
[0108]
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。