柔性轻薄型碳纳米管基人工肌肉材料的制备和性能研究

Compared with conventional mechanical actuator devices and materials, artificial muscle materials are able to mimic the movements of human muscle much better. It has broad application prospects in the fields of robotics engineering, bionic medicine, aerospace, etc. Carbon nanotubes have excellent electrical, thermal and mechanical properties. Cabon nanotube composites combine the advantages of carbon nanotubes together with other materials. This research chooses the application of carbn nanotube sheet composite on ionic artificial muscle as study object. It firstly proposed making flexible and lightweight artificial muscle material by using the superaligned carbon naotube sheet.The thickness of mono-layer superaligned carbon nanotube sheet is merely dozens of nanometers. Conducting nanoporous network can be fabricated by stacking several layers of mono-layer superaligned carbon nanotube sheet. The advantages are flexibility, good conductivity, high mechnial strength and high specific surface area. The research also focuses on fabricating all-solid-state ionic artificial muscle material, which could be used in the air directly. The method is different from conventional physical-press process, which is an innovation in the method. The comprehensive analysis of the properties of carbon nanotube-based artificial muscle material, such as electrochemical performance, deformation, response rate, frequency range, output power, and cycle life characteristics, will play an important role in guiding the design and application of artificial muscle materials.

人工肌肉材料与传统的机械致动装置和材料相比，能够更好地模仿人类肌肉的运动方式，在机器人工程、仿生医学、航天等领域都有广阔的应用前景。碳纳米管具有优越的电学、热学和力学性能，碳纳米管复合材料更是集合了碳纳米管与其他材料的优越性能。该研究以碳纳米管薄膜复合材料在离子型人工肌肉材料上的应用为研究对象, 首次提出将超顺排碳纳米管薄膜用于制备柔性轻薄型人工肌肉材料。超顺排碳纳米管薄膜单层厚度仅为几十纳米，通过堆叠多层膜可制备成具有纳米孔隙度的导电网络，并且具有耐弯折，导电性能好，力学强度高，比表面积大等优点。该研究还侧重于制备全固态、可直接在空气中使用的离子型人工肌肉材料，提出有别于传统的物理压附制备全固态器件的方法，在方法上是一个创新。综合分析碳纳米管基人工肌肉材料的电化学性能、产生形变、响应速率、使用频率范围、输出力、循环寿命等性能，必将对人工肌肉材料的设计和应用起重要的指导作用。

人工肌肉材料是一种可将其他形式的能量（如电能、光能、热能等）直接转化为机械能的智能材料，在机器人、仿生学、医学、智能开关、航天等领域都有广阔的应用前景。在本项目中，我们对碳纳米管基人工肌肉材料的材料设计、制备方法、性能与潜在应用进行了研究：1. 提出一种全新的基于超顺排碳纳米管薄膜的复合材料体系，可用于制备人工肌肉材料与致动器，并且发明了快速制备大形变卷曲型电致动器的方法。该致动器可以同时实现大形变，低电压驱动、快速制备等几个需求，性能显著优于此前报道的同类型电致动器。通过精妙的结构设计，进一步制备了可实现S型弯曲的电致动器与可负重行走的仿生机器人；2. 成功制备了基于单层超顺排碳纳米管薄膜的透明致动器，并精心设计与实现了可充分利用透明性的透明刷与透明机器人手。后者也是作为“隐形机器人”实现的一个初步尝试；3. 设计与制备了双层圆形结构致动器，可作为焦距可变的凸面镜，应用于光学领域。4. 提出了一种全新的相变致动器，其形变机制与以往的致动器不同，是基于液体相变原理，并制备出心型的液体循环系统，展示了在仿生医学方面的应用；5. 在实验研究的同时，进行理论建模，分析了致动器形变位移与悬臂梁长度、温度变化量、两层材料厚度以及两层材料厚度比的具体关系，计算结果可为实验研究提供重要参考。总之，本项目的研究成果已发表论文10篇，包括发表在ACS Nano，Nanoscale等SCI一区收录的国际著名期刊7篇，并申请发明专利4项，获得授权发明专利29项（包括美国、日本、中国等地），顺利完成了项目研究计划，达到预期成果。