【CN109881188A】一种电控型人工肌肉的制备方法【专利】

人工肌肉的制备及其应用研究近年来，人工智能、机器人等领域的不断发展和进步，让人们对人工肌肉的研究和应用产生了更大的兴趣。

相信不久的将来，人工肌肉将会在多个领域内得到广泛的应用。

一、人工肌肉的定义及分类人工肌肉，指的是一种由聚合物发展而来的高分子材料，能够在电场的刺激下收缩和扩张，从而产生与自然肌肉类似的运动功能。

根据不同的材料和工艺，人工肌肉可分为三类：1.电作用人工肌肉它由金属外壳和电介质组成，外部通过电场或场电极激励电荷，产生变形，可实现类似于自然肌肉的运动。

2.电动力聚合物人工肌肉该材料设计有可控制的、可逆转的伸长性和收缩性，导致它可达到自然肌肉运动。

该材料可以由不同形状的分子链所构成。

3.压电人工肌肉压电人工肌肉，由电子学的压电作用刺激产生收缩和扩张，该波形信号模仿了自然肌肉的运动方式。

二、人工肌肉的制备1.电作用人工肌肉制备电作用人工肌肉通常由金属材料制成，这个材料是有两层的金属层所包裹的电学介质。

金属和电介质之间形成了一个电荷，从而导致材料的体积收缩和扩张。

制备方法已比较成熟，但由于其不够灵活、重量较大、响应速度较慢等原因，目前应用范围有限。

2.电动力聚合物人工肌肉制备电动力聚合物人工肌肉的制备方法更加复杂。

主要有三种方法：光束聚合法、电致聚合法和湿润法。

其中，光束聚合法是应用最广的方法之一。

利用具有发光性能的物质，光照射时调节其聚合行为，最终生产出符合功能需求的电动聚合物人工肌肉。

3.压电人工肌肉制备制备压电人工肌肉的方法与电作用人工肌肉类似，但它的成分不同，它是由一些压电材料制成的，如钨酸锶、小分子、聚合物等，这些材料可以响应电压或电场，产生运动。

三、人工肌肉的应用1.生物医学领域人工肌肉在生物医学领域的应用极其广泛。

例如，在人工心脏瓣膜中使用人工肌肉，可以使瓣膜的开关更加准确、自然。

同时，人工肌肉也被广泛应用于人工肢体的制造上。

借助其可靠的运动特性和结构强度，可以为需要足够支撑的失去身体肢体的人群，提供更好的康复效果。

人造肌肉材料的制备与性能优化近年来，随着科技和材料科学的快速发展，人造肌肉作为一种新型材料被广泛研究和开发。

它具备与自然肌肉近似的收缩、伸长、回弹等特性，能够模拟和替代动物肌肉，被广泛应用于机器人、人机交互、人工器官与假肢等领域。

本文将阐述人造肌肉材料的制备与性能优化的相关研究进展和发展趋势。

一、人造肌肉的制备方法目前，人造肌肉的制备方法涵盖了多种技术，包括电致化学、电致变色、化学致变形、光致变形、机械致变形等。

其中，电致变形技术作为一种常用的制备方法具有简便易行、响应快速等特点。

电致变形的基本原理是由于电场的作用，电致变形材料中的离子会产生移动，导致材料的大小、形状或结构产生改变。

这种变形方式类似于动物肌肉的收缩和伸长，因此电致变形技术成为制备人造肌肉的优良选择。

二、人造肌肉材料的性能特点人造肌肉材料需要具备一系列的性能特点，如柔韧性、形状记忆、变形速度与响应灵敏度等。

在这些特性中，速度是一项很重要的指标。

如原有材料的变形速度过慢，就会导致人造肌肉无法快速反应和准确行动。

另外，人造肌肉材料的长期稳定性也是重要的考量因素。

实际应用场景中，人造肌肉可能会面临着相对较长时间的使用，因此稳定性及耐久性问题需要考虑。

三、人造肌肉的性能优化为了满足不同应用场景对人造肌肉材料的要求，需要通过不断优化材料的结构和制备工艺来达到预期目标。

在材料结构上，工艺调控是必不可少的一部分，可以通过调节材料的晶粒大小、厚度、组成等来提高其性能。

同时，在制备过程中添加外部协同因素，如瘤桿菌纤维素和碳纳米管等，能够显著增强人造肌肉的特性，提高其柔软性和变形幅度等。

除此之外，控制电场、溶液浓度和处理时间等操作参数的调整也是实现性能优化的重要途径。

例如，适当增强电场强度可提高材料的响应速度和变形幅度，提高剪切应力会增加人造肌肉的收缩力和弹性模量。

四、人造肌肉未来的发展趋势人造肌肉作为一种新型材料，在诸多领域中都有广泛的应用前景。

未来，随着科技水平的不断提高，人造肌肉材料的结构优化、制备技术和性能优化将会进一步完善和提升。

人造肌肉的制备及其应用随着科技的不断进步，人类对于人造肌肉的制备和应用有着越来越高的需求。

人造肌肉是一种可以通过外部刺激来产生收缩和伸展的机械装置，它可以模拟真正的肌肉，应用领域十分广泛，包括人体假肢、医疗康复、机器人技术等等。

本文将围绕着人造肌肉的制备及其应用展开讨论。

一、人造肌肉的制备人造肌肉的制备涉及到许多领域的知识，如材料科学、电子工程、力学等等。

目前，人造肌肉制备的主要方法有如下几种：1.电致活性聚合物人造肌肉这种方法是通过在两根电极之间夹入活性聚合物的填充物，然后利用电场刺激聚合物，使其在两个电极之间来回运动。

该方法的优点在于它的工作原理简单易懂，同时结构也比较紧凑，非常适合小型设备。

2. 金属蒸发电极人造肌肉这种方法是通过利用蒸发金属在一剪切线上的结晶特点来实现人造肌肉的收缩和伸展。

当电流通过电极时，电极中的金属会在一段时间内被加热并蒸发，然后在电场的作用下沉积在相反电极的表面，从而受到一定的力的作用，实现肌肉的收缩和伸展。

该方法的优点在于使用的材料可以轻易地用于大规模的加工和生产。

3. 电致活性金属人造肌肉这种方法是通过在金属层与活性聚合物层之间夹入涂有金属粉末的聚合物层，然后通过电场刺激，使得聚合物分子收缩并产生力量。

这种方法的优点在于它可以产生相对较高的力量水平，并且还可以使用低电压和高频率的刺激来实现肌肉的运动。

二、人造肌肉的应用过去几年，人造肌肉在各个领域的应用已经成为热门话题，下面我们介绍一下其中几种常见的应用：1. 假肢人造肌肉很容易用于制造假肢。

这种技术可以被应用于手臂和腿部假肢中。

肌肉的收缩和伸展可以轻松地被电子元件控制，使得假肢可以更为自然地进行移动。

2. 医疗康复人造肌肉可以被应用于许多康复设备中，例如康复椅子、运动车和按摩器等等。

弱肌肉的人们可以通过这些设备进行肌肉锻炼，帮助肌肉恢复或强化。

3. 机器人工程人造肌肉在机器人工程中也有广泛的应用。

例如，人造肌肉可以被植入到机器人手臂和腿部中，以使机器人可以更加自然地进行动作，从而减少机器人与人类进行交互时的不适感。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711465505.5(22)申请日 2017.12.29(71)申请人 刘素杰地址 125001 辽宁省葫芦岛市连山区连杨路2号绿野山庄2-11号楼1单元(72)发明人 刘素杰　(51)Int.Cl.B25J 9/00(2006.01)B25J 9/12(2006.01)B25J 9/10(2006.01)(54)发明名称一种人工肌肉装置及其驱动方法(57)摘要本发明公开了一种人工肌肉装置，包括线圈骨架，线圈骨架的内侧活动插接有永磁体，线圈骨架的外侧缠绕有第一电磁线圈，第一电磁线圈外侧设置有磁轭，第一永磁体上固定有限位器，限位器与磁轭滑动接触；磁轭表面设置有滑槽，限位器与磁轭的接触面上设置有若干个电磁阻尼器，电磁阻尼器与滑槽选择性接触；电磁阻尼器与第一电磁线圈连接至同一总电源控制器上，每个电磁阻尼器上单独设置有分电源控制器。

本发明能够改进现有技术的不足，提高了使用电磁驱动的人工肌肉的运动控制精确度。

权利要求书1页 说明书3页 附图5页CN 108081246 A 2018.05.29C N 108081246A1.一种人工肌肉装置，其特征在于：包括线圈骨架（1），线圈骨架（1）的内侧活动插接有永磁体（2），线圈骨架（1）的外侧缠绕有第一电磁线圈（3），第一电磁线圈（3）外侧设置有磁轭（4），第一永磁体（2）上固定有限位器（5），限位器（5）与磁轭（4）滑动接触；磁轭（4）表面设置有滑槽（6），限位器（5）与磁轭（4）的接触面上设置有若干个电磁阻尼器（7），电磁阻尼器（7）与滑槽（6）选择性接触；电磁阻尼器（7）与第一电磁线圈（3）连接至同一总电源控制器（8）上，每个电磁阻尼器（7）上单独设置有分电源控制器（9）。

2.根据权利要求1所述的人工肌肉装置，其特征在于：所述电磁阻尼器（7）包括外壳（10），外壳（10）内设置有第二电磁线圈（11），第二电磁线圈（11）内侧设置有液压管（12），液压管（12）中部设置有电磁节流阀（13），液压管（12）两端通过平衡管（14）连通，液压管（12）的顶部活动设置有活塞（15），液压管（12）外侧设置有第二永磁体（16），第二永磁体（16）的顶部固定有阻尼块（17），阻尼块（17）与滑槽（6）选择性接触，活塞（15）与第二永磁体（16）连接。

人工肌肉的制作方法1. 引言人工肌肉是一种模仿人类肌肉的人工材料，具有柔软、可伸缩和可控制的特性。

它广泛应用于机器人、医疗设备、仿生学等领域。

本文将介绍人工肌肉的制作方法，包括材料选取、加工工艺和性能调整。

2. 材料选取人工肌肉的材料通常包括聚合物和柔性电子材料。

聚合物通常选择具有良好弹性和塑性的材料，如硅橡胶、丁苯橡胶等。

柔性电子材料可以是导电聚合物或金属纳米颗粒。

这些材料需要具有良好的导电性和柔韧性。

3. 制作工艺3.1 材料预处理首先，将聚合物材料切割成所需形状的薄片或块状。

然后，用溶剂进行清洗，去除杂质和表面污染物，以提高材料的纯度。

3.2 聚合物制备将聚合物材料放入特定比例的溶剂中，经过搅拌和加热使之完全混合。

然后，向混合物中添加交联剂，促使聚合物形成交联结构。

这一步骤可以使用化学交联或热交联两种方法。

3.3 导电聚合物涂层将导电聚合物溶液涂覆在聚合物基材表面。

可以使用刷子、滚筒或喷涂等方法进行涂覆。

保持一定的厚度均匀性，以确保导电性能的稳定性。

3.4 电极连接将金属电极固定在人工肌肉的两端，通过焊接或电导胶固定。

确保电极与导电聚合物涂层充分接触，以实现电流传导。

4. 性能调整4.1 张力调整通过改变聚合物的交联程度和厚度，可以调整人工肌肉的张力。

交联程度越高，人工肌肉的张力越大。

4.2 控制电流通过调整外加电流的大小和方向，可以控制人工肌肉的收缩和松弛。

增大电流会导致人工肌肉收缩，减小电流则会使人工肌肉松弛。

4.3 优化材料组成可以尝试不同比例的聚合物和导电聚合物，以找到最优的材料组成。

这有助于提高人工肌肉的力学性能和导电性能。

5. 总结本文介绍了人工肌肉的制作方法，包括材料选取、制作工艺和性能调整。

制作人工肌肉需要选择合适的聚合物和柔性电子材料，经过搅拌、加热和交联等工艺步骤制成。

通过调整张力、控制电流和优化材料组成，可以实现人工肌肉的预期性能。

人工肌肉的制作方法为仿生学和机器人技术的发展提供了重要支持。

人工肌肉的设计和制作在大自然中，肌肉是人类和动物体内最重要的器官之一，其具有协调运动、产生动力、保持姿势等多种功能。

人类发现了肌肉的作用并且在晚近的时间里成功地设计出了人工肌肉。

近年来，随着科技的不断进步，人工肌肉的研究也更加深入，各类人工肌肉的设计和制造也日益完善和多样化。

本文将主要介绍人工肌肉的设计和制作的相关原理和技术。

一、人工肌肉基础知识人工肌肉的主要原理是利用可控材料的形变产生力量，实现类似动物的肌肉收缩和舒张的功能。

目前，广泛应用的人工肌肉材料主要有电活性聚合物、金属合金、陶瓷、纳米材料等。

1.电活性聚合物电活性聚合物是指受电场刺激后可以产生机械运动的一类聚合物，其在人工肌肉中的应用非常广泛。

目前，应用最为广泛的电活性聚合物包括聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇/聚丙烯酰胺复合物等。

这些材料通过电场调控其化学、结构和物理性质的变化，进而产生机械运动。

2.金属合金金属合金作为一种老牌材料，其在人工肌肉的研究中也有很多应用。

比如，铜、锌和铝的合金具有快速的收缩和舒张能力，可以用于制作高速运动的人工肌肉。

另外，钛、镁、镍钛和铈锆合金也有广泛的应用。

3.陶瓷陶瓷是一种硬、脆、耐高温、抗腐蚀、不导电、不磁性的材料。

其在人工肌肉的研究中也有很多应用。

比如，采用铝氧化物、氧化锆和氧化钇等陶瓷材料制作的肌肉可以快速地产生收缩和舒张。

4.纳米材料纳米材料是一种新型的材料，其特点是尺寸小、比表面积大、性能优异。

纳米材料在人工肌肉研究中的应用还处于初期研究阶段，在肌肉形变、肌肉机械、肌肉运动控制等方面有着广泛的应用前景。

二、人工肌肉的制作人工肌肉是一种高技术含量的产品，其制作过程需要借助多种工具和科技手段。

1.织构和生产人工肌肉的织构和生产需要选用合适的材料，一般需要对材料进行粉碎、磨粉、干燥、过筛等操作，制作出具备良好紧密程度和均匀性的材料。

另外，采用3D打印技术或激光切割等技术，也可以为制造人工肌肉提供更高效便捷的生产手段。

人造肌肉的制备和应用研究人造肌肉是一种模仿生物肌肉的人工材料，具备类似肌肉的收缩和伸展能力。

它在机器人技术、医疗领域、纺织品、运动器材等方面具有广泛的应用前景。

本文将探讨人造肌肉的制备方法和应用研究。

1.人造肌肉的制备方法：1.1化学合成法：通过化学反应合成活性聚合物，如聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸钠（PAA-Na），通过改变聚合物的交联度和溶液中的离子浓度，控制其收缩和伸展能力。

1.2电致变形法：利用电场的作用，使电致活性聚合物收缩或伸展，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯草酸（PVA-COOH）等。

1.3热致变形法：通过改变材料的温度，使热致材料发生体积变化，实现肌肉的伸展和收缩，如形状记忆合金（SMA）等。

2.人造肌肉的应用研究：2.1机器人技术：人造肌肉可以用于制造具有高灵活性和仿生功能的机器人。

它可以替代传统的电机驱动系统，实现更加精确的运动控制和顺畅的动作。

例如，用人造肌肉制作的机器手臂可以模仿人类手臂的运动，完成更加精细的操作。

2.2医疗领域：人造肌肉可以用于制作智能假肢和外骨骼。

通过植入人造肌肉，可以使假肢和外骨骼具备类似肌肉的运动能力，提高患者的生活质量。

此外，人造肌肉还可以用于心脏辅助装置，模仿心脏的收缩和舒张动作，帮助心脏病患者维持正常的血液循环。

2.3纺织品：人造肌肉可以用于制作智能纺织品，例如智能服装和智能床垫。

通过植入人造肌肉，可以实现服装和床垫的自适应形状调整，提高舒适度和贴合度，适应不同身体形状和姿势。

2.4运动器材：人造肌肉可以用于制作具有变形功能的运动器材，如运动鞋和运动手套。

通过植入人造肌肉，可以根据运动员的动作和姿势，实现运动器材的自适应变形，提高运动的效果和安全性。

总结：人造肌肉的制备和应用研究在各个领域都具有巨大的潜力。

通过探索不同的制备方法和结构设计，可以实现更加高效、精确和可控的人造肌肉。

未来，人造肌肉技术有望在机器人、医疗、纺织品和运动器材等领域发展出更多的应用。

人造肌肉的制备和性能研究随着工业技术和生命科学的快速发展，人造肌肉的制备和性能研究已经成为了一个热门的研究领域。

人造肌肉是模仿自然肌肉运动的机械设备，可以用于医学、生物机器人和人类辅助运动等领域。

本文将分别从制备和性能两个方面进行探讨。

制备方面，一种主要的方法是利用聚合物材料，例如聚乙烯醇和聚丙烯酰胺。

这些材料具有良好的拉伸和弯曲性能，并且可以通过加热和冷却来实现收缩和膨胀。

另一个常用的方法是利用电致变色性硅材料，它们可以通过电场的刺激来改变形状。

一些新兴的制备方法包括利用碳纳米管和金属有机骨架材料来构造机械肌肉。

性能方面，人造肌肉通常可以实现比天然肌肉更快的响应速度和更高的功率密度。

然而，它们的运动范围通常较小，并且在长期使用中易出现疲劳。

因此，需要进一步研究改进人造肌肉的性能。

在制备和性能研究中，最主要的挑战是如何实现在不同环境下的精准控制。

人造肌肉的受力效应、热力学效应和化学效应随时间和环境变化而变化，需要精确测量和控制。

此外，制备过程的可重复性和稳健性也是一个难题。

尽管存在一些挑战，人造肌肉的应用前景仍然广泛。

在医学领域，人造肌肉可以用于无损伤性手术和瘫痪患者的肢体康复。

在生物机器人领域，人造肌肉可以用于构建机器人手臂和腿部。

在人类运动辅助领域，人造肌肉可以帮助残疾人和老年人恢复正常运动能力。

总之，人造肌肉的制备和性能研究是一个极富挑战性和前景的领域。

在未来的研究中，我们希望能探索更多的材料和制备方法，并进一步优化其性能和控制技术，让人造肌肉能更好地服务于各个领域，为人类生活带来更多的便利和福祉。

专利名称：一种电控伸缩型复合人工肌肉专利类型：发明专利
发明人：董旭峰,赵增辉,朱苏峰
申请号：CN202010438642.5
申请日：20200522
公开号：CN111618837A
公开日：
20200904
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种电控伸缩型复合人工肌肉，属于软体机器人技术领域。

该电控伸缩型复合人工肌肉包括柔性电极层、复合电致变形层两种功能层；复合电致变形层是由电致变形纤维与介电弹性体组合而成的复合材料。

该电控伸缩型复合人工肌肉自上而下依次为第一层柔性电极层、复合电致变形层、第二层柔性电极层。

通过对复合电致变形层的上下表面施加电场可以实现伸长变形；通过对电致变形纤维施加电流可以实现收缩变形。

本发明与现有人工肌肉相比，可实现伸长与收缩双向变形，可三维块体化，具有结构简单、易操控、变形方式多样等优点。

申请人：大连理工大学
地址：116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号
国籍：CN
代理机构：大连理工大学专利中心
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[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1413562A [43]公开日2003年4月30日[21]申请号02133908.2[21]申请号02133908.2[22]申请日2002.10.14[71]申请人重庆工学院地址400050重庆市九龙坡区兴胜路4号[72]发明人廖林清 杨含离 杨翔宇 杨辰初 [74]专利代理机构重庆华科专利事务所代理人康海燕[51]Int.CI 7A61F 2/50A61F 2/00权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页[54]发明名称人工肌肉[57]摘要本发明涉及一种人工肌肉，它以单束人工肌肉纤维为构成单元，整块肌肉由多根单束人工肌肉纤维构成。

单束人工肌肉纤维由双螺旋线圈、弹性胶、磁流变液微团构成，双螺旋线圈外表及内部由弹性胶包覆填充，弹性胶内充满磁流变液微团，磁流变液微团由磁流变液载体和可极化磁性颗粒组成。

双螺旋线圈两端通电，使磁流变液微团极化，单束人工肌肉纤维产生变形，产生类似肌肉收缩的效果。

通过使用不同尺寸的人工肌肉群，按照预期的目的进行安装，以及对电流强度进行控制，人工肌肉可以产生不同程度的收缩和扭转。

本发明的优点是由磁流效应实现肌肉的收缩，收缩能力强、重量轻、方便灵活、结构简单，为使用人工肌肉组织模拟生物运动提供了一种手段。

02133908.2权 利 要 求 书第1/1页1、一种人工肌肉，其特征在于以单束人工肌肉纤维为构成单元，单束人工肌肉纤维由双螺旋线圈、弹性胶、磁流变液微团构成，双螺旋线圈外表及内部由弹性胶包覆填充，弹性胶内充满磁流变液微团，磁流变液微团由磁流变液载体和可极化的磁性颗粒组成。

2、根据权利要求1所述的人工肌肉，其特征在于在双螺旋线圈两端通电，使磁流变液微团极化，单束人工肌肉纤维产生变形。

3、根据权利要求1或2所述的人工肌肉，其特征在于磁流变液载体选择硅油，可极化磁性颗粒选择纯铁粉或氧化物粉。