一种可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人及其制备方法
阅读说明：本技术 一种可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人及其制备方法 (Intelligent hydrogel robot capable of patrolling and collecting water surface plastic pollutants and preparation method thereof ) 是由 梅永丰 朱红 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人及其制备方法。本发明提供的智能水凝胶机器人是由甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸通过光引发聚合而成的新型智能水凝胶全部构成,该智能水凝胶机器人释放到含水液体的表面,由于该智能水凝胶可以自主在水面产生表面张力梯度差,使其在没有外界能量供应的条件下,实现在水面的长时间自主巡游。并且该游动机器人可以通过亲疏水相互作用实现对水面塑料污染物的收集。(The invention belongs to the technical field of robots, and particularly relates to an intelligent hydrogel robot capable of patrolling and collecting water surface plastic pollutants and a preparation method thereof. The intelligent hydrogel robot provided by the invention is composed of novel intelligent hydrogel which is formed by polymerizing hydroxyethyl methacrylate and acrylic acid through photo initiation, the intelligent hydrogel robot releases to the surface of water-containing liquid, and the intelligent hydrogel can autonomously generate surface tension gradient difference on the water surface, so that the intelligent hydrogel robot can realize long-time autonomous tour on the water surface under the condition of no external energy supply. And the swimming robot can collect plastic pollutants on the water surface through hydrophilic-hydrophobic interaction.)
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人及其制备方法。
背景技术
河道上经常会存在着漂浮在水面的塑料污染物，引起水质恶化，污染水资源环境。但是传统的处理方式大多为人工打捞，这种方法效率低下，打捞成本高昂，并且对于打捞人员也存在一定的危险性。
水凝胶是一种在水中能吸收大量的水而溶胀的具有三维网络结构的凝胶。由于其出众的刺激响应性和可变形性，水凝胶可以作为致动器，是现有的构造软体机器人的常见材料之一。有鉴于此，本发明提供了一种新型智能水凝胶机器人，可以在水面自主巡游，并且基于亲疏水相互作用可以清理水面塑料污染物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人及其制备方法。
本发明提供的可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人，是全部由甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸聚合而成的新型智能水凝胶构成的机器人。
本发明还提供所述智能水凝胶机器人的制备方法，具体步骤如下：
将甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸和交联剂、光引发剂混合成前驱液，进行辐照，得到可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人。
本发明中，所述交联剂优选为乙二醇二甲基丙烯酸酯。
本发明中，所述光引发剂优选为2-羟基-2-甲基苯丙酮。
本发明中，所述甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸与交联剂和光引发剂的体积比以甲基丙烯酸羟乙酯为基数，设定为1，丙烯酸与其的体积比例范围为0.2~1；交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯与其的体积比例范围为0.02~1；光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮与其的体积比例范围为0.2~0.6。
本发明中，所述辐照在紫外灯下进行，所用紫外光波长为365纳米，所述辐照的时间优选为5秒~ 60分钟。
本发明中，所述收集塑料污染物的游动机器人的上下表面积小于75平方厘米，厚度小于2厘米，具体尺寸由模具尺寸决定。
本发明中，所述收集塑料污染物的游动机器人在表面张力系数为62 ~ 77 mN/m的含水液体与空气的界面均可进行自主游动并收集塑料污染物，无需外界额外提供能量供应。
本发明提供的可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人具体工作原理如下:智能水凝胶在含水液体表面可以由于吸水过程产生表面张力梯度差，从而实现自主游动。并且由于智能水凝胶机器人在运动过程中，弯液面表现出疏水弯液面，而水面塑料污染物大多都是疏水的弯液面，因此通过亲疏水相互作用可以实现对水面塑料污染物的收集。
有益效果：本发明提供的可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人，实现了无需额外提供能量，即可在含水液体的表面进行自主巡游，并且收集塑料污染物。与传统的人工打捞相比，大大提高了清洁效率和安全性。并且本发明所提供的制备方法非常简单，可适用于工业生产中，因此有着实际应用意义。
本发明的独创性在于利用自建表面张力梯度的新型智能水凝胶制备出可以在含水液体的表面进行自主巡游的智能水凝胶机器人，通过亲疏水相互作用，实现水面塑料污染物的收集。
附图说明
图1为在水面自主运动的游动机器人实物照片和运动轨迹图。
图2为在水面自主运动的游动机器人收集塑料污染物的水面前后对照图。
图中标号：1、2为游动机器人，3为收集好的塑料污染物。
具体实施方式
本发明提供了一种可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人，所述智能水凝胶机器人是全部由甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸聚合而成的水凝胶构成的机器人。
本发明提供了上述技术方案所述智能水凝胶机器人的制备方法，包括以下步骤：
将甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸和交联剂、光引发剂混合成前驱液，进行辐照，得到可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸和交联剂、光引发剂混合成前驱液。在本发明中，所述交联剂优选为乙二醇二甲基丙烯酸酯，所述光引发剂优选为2-羟基-2-甲基苯丙酮。在本发明中，所述甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸与交联剂和光引发剂的体积比以甲基丙烯酸羟乙酯为基数，设定为1，丙烯酸与其的体积比例范围为0.2~1；交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯与其的体积比例范围为0.02~1；光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮与其的体积比例范围为0.2~0.6。在本发明中，所述混合的过程优选为先将甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸混合，然后向所得混合液中依次加入交联剂和光引发剂，再将所得的前驱液遮光通入高纯氮气5分钟至各种成分充分混合均匀且去除溶解氧；本发明对所述的通入氮气的速率没有特殊的限定，能够使得各充分混合均匀并去除溶解氧即可。本发明在遮光条件下通入氮气是为了避免光引发剂在日光下失效。
完成所述混合后，本发明将所得的前驱液进行辐照。本发明优选将所得的前驱液置于聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中进行辐照，所述辐照优选在紫外灯下进行，所用紫外光波长优选为365纳米；所述辐照的时间优选为5秒~ 60分钟。
在本发明中，所述模具的材料优选为聚二甲基硅氧烷，本发明优选采用激光切割技术与PDMS成型技术制作所述模具。在本发明中，所述模具的制备方法包括以下几个步骤：使用AutoCAD软件对模具的形状进行设计和建模，建模文件保存为dwg.格式；将dwg.格式建模文件导入激光切割机，以亚克力板材为原料，制造出亚克力凸模模具；在所述凸模模具上，采用PDMS成型工艺制造出模具。在本发明中，所述PDMS模具用于实现溶液的紫外光固化成形。本发明对所述建模、激光切割亚克力和PDMS成型的具体过程没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的常规方法即可。
图1为本发明的可巡游可收集水面塑料污染物的智能水凝胶机器人的实物照片和运动轨迹图。在本发明中，所述收集塑料污染物的游动机器人的上下表面积小于75平方厘米，厚度小于2厘米。在本发明中，所述收集塑料污染物的游动机器人在表面张力系数为62~ 77 mN/m的含水液体与空气的界面均可进行自主游动。该智能水凝胶机器人在含水液体的表面上释放之后，即可由于自身的吸水作用和包含基团的亲疏互换，在含水液体的表面建立表面张力梯度，由于马拉戈尼效应，该智能水凝胶在含水液体的表面可以在没有外界能量供应的情况下进行自主巡游。该轨迹图展示了智能水凝胶在水面的曲线运动轨迹，其中1为游动机器人。
图2展示了在900平方厘米的水面上，用一个0.785平方厘米的智能水凝胶游动机器人进行水面的塑料污染物收集的结果。其中，2为游动机器人，3为收集在游动机器人表面的塑料污染物。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
智能水凝胶前驱液的制作：将甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸以体积比2:1混合，然后加入交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯，其与甲基丙烯酸羟乙酯的体积比为1:10；然后加入光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮，其与甲基丙烯酸羟乙酯的体积比为1:2，上述液体混合均匀后，遮光通入高纯氮气5分钟，得到配置好的前驱液。
模具制作：使用AutoCAD软件对模具进行3D建模，建模文件保存为dwg.格式；将dwg.格式的建模文件导入激光切割机，激光切割亚克力板材，制作出亚克力凸模，凸起为圆柱形，直径1厘米，高度3毫米；在所述的亚克力凸模上，使用PDMS成型工艺，制造出PDMS模具。
智能水凝胶机器人的制作：将所述配置好的前驱液注入PDMS模具中，在其上方照射紫外光，使用波长365纳米的紫外灯照射1分钟，得到固化好的智能水凝胶机器人。所述智能水凝胶机器人为圆柱形，直径1厘米，厚度3毫米。将智能水凝胶机器人释放到水表面，即可自主运动。
收集塑料污染物的智能水凝胶机器人工作：将所述的在水面自主运动的智能水凝胶机器人释放到水面漂有塑料污染物的水域，无需任何操作，智能水凝胶机器人即可自主进行水面塑料污染物的收集任务。
实施例2
按照实施例1所述方案，区别仅在于：甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸的体积比为1:1，其余液体的体积比维持不变，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯与甲基丙烯酸羟乙酯的体积比仍为1:10；光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮与甲基丙烯酸羟乙酯的体积比仍为1:2。
按照实施例1所述方案，对实施例2在水面自主运动的游动机器人进行验证，结果表明实施例2的智能水凝胶机器人也可以在释放到水面后进行自主运动，释放到有塑料污染物的水面也可自主运动并进行塑料污染物的收集。
由以上实施例可知，本发明提供的智能水凝胶机器人能够用于水面收集塑料污染物的收集。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。