新型CPVC凝胶柔性驱动器的结构设计与性能调控研究

Metal mesh electrodes-based PVC gel soft actuator/artificial muscle has a great application prospect in wearable assistance/rehabilitation robots. However, it is still facing the challenges of an inadequate performance and a high driving voltage (several hundreds of volts) compared to biological skeletal muscle. On the basis of the research of PVC gel actuator, this project proposed a novel soft actuator based on CPVC gel and flexible electrodes, with high safety, stability, efficiency and low power consumption. The aim of this project is to realize a high performance as the same as that of the biological skeletal muscle under a low driving voltage (<60V), so as to provide a safe and effective soft actuator for the field of human-robot interaction. Firstly, to use the interfacial energy theory and electrochemical impedance method, together with the finite element analysis method to study the driving principle of the CPVC gel actuator. Secondly, to study the material preparation and processing technology to fabricate a stable and efficient soft actuator. Finally, to investigate the effect of each parameter on the performance of the actuator and establish the corresponding theoretical model or empirical formula for the practical application.

基于金属网状电极的PVC凝胶柔性驱动器/人工肌肉在可穿戴助力/康复机器人中具有良好的应用前景。但与生物肌肉特性相比还存在驱动特性不足及驱动电压过高（数百伏）的问题。本项目在申请人之前的PVC凝胶驱动器的研究基础上，提出一种基于CPVC凝胶及柔性电极一体化成型的安全稳定、高效低耗的新型柔性驱动器，力图实现在低电压（<60V）驱动下达到与生物肌肉同等或更高的驱动特性，为人机交互领域提供一种安全有效的柔性驱动器。项目将应用界面能理论及电化学阻抗法，结合有限元分析方法对驱动器的机电耦合致动机理进行建模分析，为驱动器的结构优化设计提供理论指导；研究驱动器的制备及加工工艺、加工过程控制技术，为制备稳定高效的CPVC凝胶柔性驱动器打下基础；通过材料设计、工艺参数调控等手段对驱动器的性能进行调控与优化，阐明各要素对驱动器的动力学性能的影响规律和作用机制，提出相应的理论模型或经验公式，为实际应用奠定基础。

基于高分子材料PVC凝胶驱动器的输出特性、工作环境和稳定性等与生物肌肉接近，作为一种代替传统电机的新一代的柔性驱动器在软体机器人及人机交互领域具有良好的应用前景。相对于PVC材料，氯化聚氯乙烯（CPVC）具有增强的机械和化学性能，显示出良好的应用前景为电活性聚合物凝胶致动器制造凝胶材料的潜力，有望提高驱动器的应力、应变及响应特性。因此本项目提出一种新型的基于CPVC凝胶的柔性驱动器，并对其材料特性、电致动机理、结构设计及性能调控等关键科学问题进行了深入研究。本项目采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜等显微镜（SEM）分析、热重分析（TGA）等方法研究了PVC/CPVC凝胶的材料特性；基于电化学理论探索了凝胶驱动器的机电耦合机理，建立了相应的理论模型，能较好的模拟实验结果。探索了CPVC凝胶的组成成分对其机械特性与电化学特性的影响规律和作用机制。探明了PVC/CPVC凝胶驱动器的构成要素对驱动器的驱动特性的影响规律和作用机制，建立了相应的经验公式及理论模型。并从理论及实验两方面分析了PVC凝胶与CPVC凝胶驱动器的特性的区别与联系并对PVC及CPVC凝胶驱动器的结构进行了优化设计，也为传统的PVC凝胶驱动器的结构设计提供了研究思路。实验结果表明，在相对低电压下(120V),驱动器的输出特性达到与生物肌肉同等的水平；在DBA比例相同的情况下，在低负载工作下CPVC凝胶驱动器的性能优于传统的PVC凝胶驱动器，表明了CPVC凝胶致动器具有良好的实际应用潜力，但如何提高CPVC凝胶驱动器的响应特性，提升DBA高含量凝胶驱动器的稳定性及进一步降低驱动电压还需要进一步的研究。