关键词：
液态金属
柔性驱动器
磁场驱动
毛细力驱动
电致形变
表面张力
人工肌肉
摘要：
受软体动物和人类肌肉启发,研制具有自适应、灵活、可重构、多功能等特性的柔性驱动器是当前的研究热点,柔性驱动器也已被广泛应用于柔性抓手、可穿戴器件、触觉显示及医疗设备的开发。然而,柔性驱动器依然存在驱动力小、驱动迟滞大、效率低等缺陷,这些不足严重限制了柔性驱动器进一步应用。室温镓基液态金属作为一种新兴的柔性材料,其兼具液体和金属的特性,包括良好的流动性和自愈能力,接近于水的粘度,高导电、导热能力,极低的毒性,极小的蒸气压等。镓基液态金属具有目前已知液体中最大的表面张力,同时其表面可形成极薄的固体氧化层,从而可在大范围内调控自身表面张力。液态金属还在多种物理场中表现出良好的刺激-响应特性,在柔性驱动领域具有重要的应用潜力。当前研究中,镓基液态金属的应用是跨尺度的,如微尺度下其可用于药物递送,宏观尺度下可用于器件散热等。另一方面,基于液态金属开发新型器件的过程中,液态金属的驱动是一项基础且至关重要的技术,它决定了器件的可调、可控以及灵活性。然而,对液态金属的驱动主要依赖于在液滴两侧形成表面张力差或对液态金属进行化学改性,这些驱动方式或不可避免地产生气泡,或牺牲液态金属的流动性等固有特性,且作用的空间尺度相对单一、难以直接形成驱动力,从而极大地限制了液态金属的实际应用。本文针对液态金属驱动中的共性问题,基于液态金属在多种物理场中的刺激-响应特性,探索新型液态金属驱动方式,分析驱动机理,研究影响驱动性能的关键因素,拓展液态金属在机器人领域的应用。本文的主要研究内容和成果如下:(1)针对液态金属驱动中产生气泡、改变固有特性的问题,提出了基于交变磁场的液态金属液滴驱动方式:利用旋转磁场在液滴内部产生洛伦兹力,驱动液态金属液滴滑动。发现并解释了固液金属球体在相同受力情况下运动方向相反的非常规运动现象。对磁驱滑动数值仿真和实验探究验证了所提出的驱动机理。分析了磁场运动速度、磁感应强度等关键参数对液态金属磁驱滑动的影响。通过电化学方法氧化、还原液态金属调控液滴与基底的摩擦系数,实现了磁控驱动的启停控制。磁控驱动所需结构简单,无剧烈化学反应参与,有望实现液态金属的远距离、非接触式驱动。(2)拓展液态金属的磁驱滑动,提出了一种液态金属自旋驱动方式:当液态金属液滴所处磁场环境发生旋转时,液滴和磁场的相对运动使得液滴内部诱导产生洛伦兹力矩,驱动液滴自旋,旋转方向与磁场运动方向一致。基于有限元仿真模型,对液态金属磁驱自旋进行了磁力耦合数值仿真,揭示了磁场转动速度、磁感应强度等参数对驱动性能的影响。基于永磁体搭建磁驱自旋实验平台,开展了上述关键参数的实验探究,并进一步从液滴浸没深度、溶液浓度等角度优化驱动性能。这种驱动方式避免了气泡的产生,驱动过程中液滴运动平稳。液态金属磁驱自旋可有效地加速流体散热及混合,验证了其在微流控、微机电系统中的应用潜力。(3)针对液态金属驱动方式作用尺度单一的问题,提出了一种基于毛细力的液态金属驱动方式:制备与液态金属润湿性优异的颗粒基多孔材料PBPM(Particles-based Porous Material),PBPM具有丰富微米级毛细通道,其与液态金属之间良好的润湿性直接形成了毛细力,驱动液态金属克服其巨大表面张力在PBPM中自发扩散。盐酸溶液可以进一步改善两者之间的润湿性,加速自发扩散。对多孔材料的微观结构表征、成分分析和组分间润湿性探究验证了液态金属毛细驱动理论。液态金属可在不同形状管道内自发扩散,甚至可逆重力、沿复杂三维(3D)表面扩散,其扩散方向还可通过调节润湿性条件控制。液态金属的毛细力驱动可应用于柔性电子、金属材料快速成型,以及增材制造等领域。(4)针对液态金属驱动中难以直接形成驱动力的问题,提出了一种基于交变电场实现的液态金属类肌肉驱动方式:利用电化学反应氧化、还原液态金属液滴,改变其表面张力,驱动液态金属可逆形变并输出力和位移,实现类似肌肉驱动性能。液态金属人工肌肉的驱动电压极小,在收缩、舒张阶段的最小驱动电压分别为1 V、0.5 V。液态金属人工肌肉可在大pH范围(0-14)溶液中工作,最大舒张速度近15 mm/s,最大应变可达87%,驱动迟滞时间不超过0.1 s。实验探究了驱动电压与频率、溶液类型与浓度等参数对液态金属人工肌肉驱动性能的影响,得到了最佳参数组合,进一步通过人工肌肉单元串并联提升驱动性能。最后,探索了液态金属人工肌肉在编码显示、货物运载、可重构光学器件以及仿生机器人上的应用,展现了其在扩展柔性驱动器性能和使用空间上的巨大潜力。
