基于光敏智能复合材料的可控机器人
阅读说明：本技术 基于光敏智能复合材料的可控机器人 (Controllable robot based on photosensitive intelligent composite material ) 是由 于淼 杜启睿 李贇利 赵武 郭鑫 张凯 张洁 陈领 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光敏智能复合材料的可控机器人,其包括仿生鱼主体和设置于仿生鱼主体上的照明装置；仿生鱼主体包括躯干、自前至后依次对称设置于躯干两侧的一对结构相同的主鳍和一对结构相同的副鳍,以及与躯干后端连接的尾鳍；主鳍和副鳍为板型结构,其呈翼型；照明装置用于为两个主鳍和两个副鳍提供照明；躯干使用的材料为非亲水性材料；主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的非对称双层复合材料,且水凝胶光敏材料面向照明装置的光源。该基于光敏智能复合材料的可控机器人对光照响应度较高,能够依靠自然光或人工光源,实现在水面的定向驱动和转弯,从而能够作为水下环境监测的驱动机构,装载摄像头等装置实现水下环境监测。(The invention discloses a controllable robot based on a photosensitive intelligent composite material, which comprises a bionic fish main body and an illuminating device arranged on the bionic fish main body; the bionic fish body comprises a trunk, a pair of main fins with the same structure, a pair of auxiliary fins with the same structure and a tail fin connected with the rear end of the trunk, wherein the main fins and the auxiliary fins are symmetrically arranged on two sides of the trunk from front to back; the main fin and the auxiliary fin are of plate-type structures and are in an airfoil shape; the lighting device is used for providing lighting for the two main fins and the two auxiliary fins; the material used for the trunk is non-hydrophilic material; the main fin, the auxiliary fin and the tail fin are made of asymmetric double-layer composite materials consisting of hydrogel photosensitive materials and thermal expansion materials, and the hydrogel photosensitive materials face the light source of the lighting device. This controllable robot based on photosensitive intelligent combined material is higher to the illumination responsivity, can rely on natural light or artificial light source, realizes directional drive and the turn at the surface of water to can regard as the actuating mechanism of environmental monitoring under water, load devices such as camera and realize environmental monitoring under water.)
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及基于光敏智能材料驱动的可控机器人。
背景技术
仿生机器鱼是一类在结构和运动上模仿鱼类的机器人，主要用于对水下环境进行监测。近年来，新型仿生机器鱼的研究成果不断涌现，并基于不同的驱动方式驱使尾鳍按照预定规律摆动，从而在水里进行游动。这些驱动方式包括电机驱动、液压或气压驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、介电弹性体(DEs)驱动及离子聚合物金属复合材料(IPMC)驱动等。
然而，前面给出的这些驱动方式均存在一定的问题，例如电机驱动的仿生机器鱼普遍采用多关节传动的刚性结构，结构复杂，噪声与震动较大；液压或气压驱动难以摆脱泵的限制，难以实现无束缚游动；SMA等新型材料存在形变微小和驱动力不足等缺陷，难以精确地模拟鱼类运动，且存在驱动力和驱动速度不足等问题。
发明内容
本发明的目的旨在针对传统仿生机器鱼存在的驱动结构复杂、难以模拟鱼类形态和运动以及驱动力不足等问题，提供一基于光敏材料驱动的可控机器人，具有深海短吻狮子鱼结构，可在自然静水环境下作业。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。
本发明的发明思路为，基于鱼的仿生结构，使用具有光敏特性的水凝胶光敏材料和具有大的热膨胀系数的热膨胀材料相结合制作非对称双压电驱动器，在光照强度变化时产生较大的宏观变形，提供较大的驱动速度。
本发明提供的基于光敏智能复合材料的可控机器人，其包括仿生鱼主体和设置于仿生鱼主体上的照明装置；所述仿生鱼主体包括躯干、自前至后依次对称设置于躯干两侧的一对结构相同的主鳍和一对结构相同的副鳍，以及与躯干后端连接的尾鳍；所述主鳍和副鳍为板型结构，其呈翼型；所述照明装置用于为两个主鳍和两个副鳍提供照明；所述躯干使用的材料为非亲水性材料；所述主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的非对称双层复合材料，且水凝胶光敏材料面向照明装置的光源。
上述基于光敏智能复合材料的可控机器人，所述仿生鱼主体外形优选为深海短吻狮子鱼仿生结构。如图3所示，深海短吻狮子鱼具有以下两个特点：(1)骨骼薄，容易弯曲，肌肉组织柔韧，纤维组织细密；(2)鱼皮组织薄，使生理组织充满水分，保持内外压力平衡，抗压能力强。基于上述分析，本发明中，所设计的仿生鱼主体也具有鱼状的身体形状。其中，躯干采用非亲水性材料制作，且该非亲水材料具有一定的强度，不易变形，可以采用ABS塑料、PLA塑料、有机玻璃等。主鳍、副鳍和尾鳍为由柔软的非对称双层复合材料制作而成，主要是作为整个可控机器人的驱动部件，这里非对称双层复合材料是由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的。水凝胶光敏材料优选为IPTS改性的Mxene薄膜(Ying Hu et al,Self-Lovomotive Soft Actuator Bsaed on Asymmetric Microstructural Ti3C2Tx MXeneFilm Driven by Natural Sunlight Fluctuation,ACS Nano 2021,15,5294-5306)；本发明中，IPTS改性的Mxene薄膜特性为顶部的层间间距较大，亲水性较好，底部层间间距较小，亲水性较差，在水中的时候，由于水分子的吸附作用不对等，顶部的膨胀速率高于底部，整体结构在宏观上会产生向下弯曲的力。热膨胀材料具有较大的热膨胀系数，优选为PE薄膜，PE膜是一种商业上使用的大热膨胀系数(约500×10-6/℃)的聚合物材料，将IPTS改性的Mxene薄膜附着到PE膜上。在水中，IPTS改性的Mxene薄膜由于自身亲水性，吸水向下弯曲，当基于一定强度的光源照射时，IPTS改性的Mxene薄膜吸收的光能转变为热能，经IPTS改性的MXene薄膜的顶部和底部吸附的水分子快速损失，顶部的收缩大于底部的收缩，与此同时，热能进一步传递到PE膜上，PE膜发生热膨胀，使整体结构的弯曲变形达到最大化，使非对称双层复合材料复原。这样，通过微小的固体结构与仿生机器人主体躯干底部的“肌肉”粘接相连，可通过光热转换的方式将光能转化为运动的机械能。当仿生机器人在可控光源的照射下，肌肉就会舒张和收缩变形，由此带动主鳍、副鳍和尾鳍拍打而驱动仿生深海短吻狮子鱼机器人。
上述基于光敏智能复合材料的可控机器人，所述躯干主要起两方面的作用：一方面是对整个仿生机器人起到支撑作用；另一方面用于连接主鳍、副鳍和尾鳍。所述躯干沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面延伸出呈三角形结构的鱼头。
上述基于光敏智能复合材料的可控机器人，所述主鳍的主要作用是通过弯曲和回复运动提供主要的驱动力。所述副鳍主要作用包括两方面：一方面是通过弯曲和复原提供一定的驱动力；另一方面是通过弯曲和复原的作用使机器人转向。
所述主鳍上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义主鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。这样，主鳍相对于躯干中轴线偏离一定的角度，使主鳍大致向后侧弯曲。进一步地，所述主鳍上弧面两端点位于鱼头的一侧边延长线上，该延长线偏离躯干中轴线的角度(即主鳍偏离躯干中轴线的角度)为40°～50°。
所述副鳍运动时的弯曲机理与主鳍相同，因此副鳍的结构与主鳍相似副鳍上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义副鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。进一步地，所述副鳍上弧面两端点位于与鱼头一侧边平行的平行线上，该平行线偏离躯干中轴线的角度(即副鳍偏离躯干中轴线的角度)为40°～50°。
这样，主鳍能够为驱动机器人提供较好的动力。当主鳍偏离躯干中轴线的角度小于40°(例如30°)时，主鳍向后的分力较小；当主鳍偏离躯干中轴线的角度大于50°(例如60°)时，主鳍、副鳍和尾鳍会相聚较近，而且副鳍偏离角度较大时，副鳍的体积如果设计的较小，可能不足以提供实现整个仿生鱼机器人在水面上转弯的动力。
上述基于光敏智能复合材料的可控机器人，所述尾鳍的主要作用包括两方面：一方面用于调整仿生鱼机器人的左右两侧平衡；另一方面用于通过弯曲和复原提供一定的驱动力。所述尾鳍的主体平面形状和躯干相似，其沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面面积不大于躯干后端端面面积。当可控机器人运动时，尾鳍会向仿生鱼的底部弯曲(即向下)。
上述基于光敏智能复合材料的可控机器人，为了使可控机器人在水中具有良好的驱动效果，所述仿生鱼主体尺寸需要满足一定的要求。本发明中，所述躯干长度、主鳍长度(主鳍上弧面两端点的连线长度)、副鳍长度(副鳍上胡面两端点的连线长度)和尾鳍长度比值为(3～5)：(3～5)：1：1。主鳍和副鳍的两侧弧面曲率为(1/7*10-2～1/8*10-2)m-1。尤其是当所述可控机器人应用于(自然静水或无动力源环境)，所述躯干、主鳍、副鳍和尾鳍的厚度相同或不同，为4～8mm。双层材料中热膨胀材料(例如PE薄膜)的厚度为3.8～7.4mm，水凝胶光敏材料(例如IPTS改性的Mxene薄膜)厚度为0.2～0.6mm。
上述基于光敏智能复合材料的可控机器人，所述照明装置包括第一光源组件和第二光源组件，第一光源组件用于为两个主鳍照明，第二光源组件为两个副鳍照明；从而实现分别对两个主鳍和两个副鳍的单独照明控制。每一光源组件均包括一固定于躯干上的支架，支架的末端延伸出两个分别朝向躯干两侧主鳍或副鳍的光源。每个支架内设置有用于分别控制两个光源的控制器。
与现有技术相比，本发明提供的基于光敏智能复合材料的可控机器人，具有如下十分突出的优点和有益技术效果：
1、本发明提供的可控机器人设置有仿生鱼主体，且仿生鱼主体的主鳍、副鳍和尾鳍均为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的驱动器，其对光照响应度较高，能够依靠自然光或人工光源，实现在水面的定向驱动和转弯，从而能够作为水下环境监测的驱动机构，装载摄像头等装置实现水下环境监测。
2、本发明提供的可控机器人仿生鱼主体的主鳍、副鳍和尾鳍所使用的材料包含IPTS改性的Mxene薄膜，顶部亲水性较好，底部亲水性较差，从而使上下端面吸附作用不对等，顶部的膨胀速率高于底部，整体结构在宏观上产生明显的形状变形，进而在光照复原过程中提供较大的驱动速度。
3、本发明提供的可控机器人，由于对光度响应较高，因此对环境要求低，且稳定性较好，不需要大功率驱动装置，弱光源环境中也可正常使用。
4、本发明提供的可控机器人，采用深海短吻狮子鱼结构，因此可在自然静水及无动力源环境下使用。
附图说明
图1为基于光敏智能复合材料的可控机器人的结构示意图；
图中，1-仿生鱼主体，11-躯干，12-主鳍，13-副鳍，14-尾鳍，2-照明装置，21-第一光源组件，22-第二光源组件，211、221-支架，212、222-光源。
图2为可控机器人仿生鱼主体结构示意图。
图3为深海短吻狮子鱼各部分功能介绍示意图。
图4为可控机器人仿生鱼主体各部分结构作用示意图。
图5为可控机器人仿生鱼主体各部分结构的材料组成示意图。
图6为非对称双层复合材料结构示意图。
图7为可控机器人仿生鱼主体驱动原理示意图。
图8为可控机器人仿生鱼主体在不同环境下的状态示意图(从仿生鱼主体前方看)；其中(a)为初始条件下的仿生鱼主体状态示意图；(b)为吸水达到饱和时仿生鱼主体状态示意图；(c)光照条件下(b)状态的仿生鱼主体复原后的状态示意图。
具体实施方式
以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
本实施例提供的基于光敏智能复合材料的可控机器人，如图1所示，其包括仿生鱼主体1和设置于仿生鱼主体上的照明装置2。仿生鱼主体1外形采用深海短吻狮子鱼仿生结构，其包括躯干11、自前至后依次对称设置于躯干11两侧的一对结构相同的主鳍12和一对结构相同的副鳍13，以及与躯干后端连接的尾鳍14。照明装置2用于为两个主鳍和两个副鳍提供照明。
如图1所示，躯干11沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面延伸出呈三角形结构的鱼头。尾鳍14主体平面形状和躯干相似，其沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面面积不大于躯干后端端面面积。主鳍和副鳍均为板型结构，且结构相似，均呈翼型。主鳍12上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义主鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。主鳍上弧面两端点位于鱼头的一侧边延长线上，该延迟线偏离躯干中轴线的角度θ1为45°(如图2所示)。副鳍13上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义副鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。副鳍上弧面两端点位于与鱼头一侧边平行的平行线上，该平行线偏离躯干中轴线的角度θ2为45°(如图2所示)。
如图4所示，仿生鱼主体各部分结构主要作用如下：
(1)躯干主要起两方面的作用：一方面是对整个仿生机器人起到支撑作用；另一方面用于连接主鳍、副鳍和尾鳍；
(2)主鳍的主要作用是通过弯曲和回复运动提供主要的驱动力；
(3)副鳍主要作用包括两方面：一方面是通过弯曲和复原提供一定的驱动力；另一方面是通过弯曲和复原的作用使机器人转向。
(4)尾鳍的主要作用包括两方面：一方面用于调整仿生鱼机器人的左右两侧平衡；另一方面用于通过弯曲和复原提供一定的驱动力。
本实施例中，将主鳍/副鳍偏离躯干中轴线的角度为45°，这样可以为仿生鱼主体提供较大的向后分力。
如图5所示，本实施例中仿生鱼主体各部分结构的材料组成如下：
(1)躯干使用的材料为ABS塑料；躯干可以利用密度为1.1g/cm3的ABS塑料经3D打印而成厚度为6mm左右的蜂窝状结构，这是为了方便其浮在水面上。3D打印参数为：单层厚度为0.1～0.3mm；填充密度20～30％；打印速度50mm/s～60mm/s；打印喷嘴温度230℃；热床温度设置为70℃。
(2)主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由自下而上的PE薄膜和IPTS改性的Mxene薄膜组成的非对称双层复合材料(如图6所示)，这里的Mxene薄膜指的是Ti3C2Tx薄膜；PE薄膜的厚度为4mm，IPTS改性的Mxene薄膜的厚度为0.2mm。
本实施例中，仿生鱼主体长度约为8.0cm，其中躯干长度(即倒梯形截面的高)约为5.0cm、尾鳍(即倒梯形截面的高)长度约为2.5cm。主鳍长度约为8.0cm，副鳍长度约为2.5cm。
如图1所示，所述照明装置2包括第一光源组件21和第二光源组件22。第一光源组件21用于为两个主鳍照明。第二光源组件22为两个副鳍照明。每一光源组件均包括一固定于躯干上的支架(211,221)，支架的末端延伸出两个分别朝向躯干两侧主鳍或副鳍的光源(212,222)。每个支架内设置有一个控制器，用于分别控制两个光源。控制器还可以经无线通讯模块与终端服务器通信连接，由终端服务器向控制器发出操作指令，控制器按照接收的操作指令启动相应的光源。
如图7及图8所示，本实施例提供的基于光敏智能复合材料的可控机器人的驱动原理为：
(1)初始状态时，机器人仿生鱼主体如图8(a)所示。
(2)在水中时，主鳍和尾鳍上层IPTS改性的Mxene薄膜吸水溶胀，向下缓慢弯曲(如图8(b)所示)；同时副鳍上层IPTS改性的Mxene薄膜吸水溶胀，向下缓慢弯曲。这是由于置于上部的经IPTS改性的MXene薄膜属于水凝胶材料，它具有良好的亲水性，含有大量亲水官能团，可以通过表面基团和水分子之间的氢键吸附水分子，并且相互作用是可逆的，所以仿生机器人一旦接触到水，便会以相应的速度溶胀并吸收大量的水分子，然而经IPTS改性的MXene薄膜由于顶部和底部的不对称性，与底部相比，顶部具有更大的层间间距和更好的亲水性，因此经IPTS改性的MXene薄膜的顶部可以吸收更多的水分子，导致与底部相比产生更大的溶胀。仿生鱼主体的主鳍和副鳍会以相应的速度向水面下产生缓慢的弯曲变形，尾鳍也会以相应的速度向水面下产生缓慢的弯曲变形。
(3)在自然光(太阳光)或位于两侧主鳍/副鳍上方的光源照射下，被照射的主鳍/副鳍复原形状(如图8(c))，主鳍、副鳍和尾鳍会对水产生一个向后的推进力合力，相应地，水会给仿生鱼主体一个向前的同样大小的的合力，这个合力可以推动仿生鱼主体以相应的速度快速向前移动；同时，调整照射单侧副鳍光源的亮度变化，还可以提供仿生鱼主体转向的驱动力。这是由于IPTS改性的MXene薄膜在宽波长范围(400～780nm)内表现出高光吸收和出色的内部光热转换能力(效率接近100％)，当给予一定强度的光源(自然光或人工光源)照射时，经IPTS改性的MXene薄膜的顶部和底部吸附的水分子快速损失，导致层间间距减小，从而导致薄膜进行复原性质的收缩变形，由于层间间距的不对称性，顶部的收缩大于底部的收缩，导致整个薄膜进行复原性的弯曲变形，弯曲方向朝向顶部；与此同时，热能进一步传递到PE膜上，PE膜发生热膨胀，使整体结构的弯曲变形达到最大化；此时复原性弯曲变形的速度与之前吸水时相比，明显要快于之前吸水时的，因此，仿生鱼主体的主鳍、副鳍和尾鳍会对水产生一个向后的推进力合力，相应地，水会给仿生鱼主体一个向前的同样大小的的合力，这个合力推动仿生鱼主体以相应地速度快速向前移动。
(4)当主鳍/副鳍接收到的自然光光强变化或者将人工光源关闭后，主鳍、副鳍将再次吸水溶胀，向下缓慢弯曲。这是由于经IPTS改性的MXene薄膜重新吸收周围的水分子，复原到原来的形状，由于这个过程与光照失水的过程相比，其速度较为缓慢，对于仿生鱼主体位移的影响基本可以忽略不计。
总体来看，仿生深海短吻狮子鱼可控机器人会在自然光或人工光源的控制下，会在水中像狮子鱼一样实现一定方向的快速移动。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。