【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的功能高分子材料特別是軟物質(zhì)材料,被應(yīng)用到人們的日常生產(chǎn)生活之中。軟物質(zhì)材料因其獨(dú)特的柔韌性、多功能性和卓越的機(jī)械性能吸引了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。基于軟物質(zhì)材料的軟體機(jī)器人是一種新型柔韌機(jī)器人,其最新研究成果大多采用硅橡膠制成,將天然高分子水凝膠應(yīng)用于軟體機(jī)器人還鮮有研究,本文系統(tǒng)研究了以瓜爾膠(Guar Gum,GG)及其衍生物為原料制備水凝膠,并考察了水凝膠的理化性能,初步探討了其在柔性?shī)A爪機(jī)器人中的應(yīng)用。首先,以GG為原料制備了水凝膠,該水凝膠通過(guò)加入四硼酸鈉引入硼酸酯鍵構(gòu)筑瓜爾膠—硼砂超分子水凝膠(Borax-Guar Gum Supermolecular Hydrogel,Borax-G),這種水凝膠具有顯著的自修復(fù)性能和凝膠-溶膠轉(zhuǎn)換特性。其次,以陽(yáng)離子瓜爾膠(Cationic Guar gum,CGG)為原料制備了水凝膠,該水凝膠通過(guò)陽(yáng)離子瓜爾膠與丙烯酰胺復(fù)合形成了陽(yáng)離子瓜爾膠—丙烯酰胺復(fù)合水凝膠(Acrylamide-Cationic Guar Compound Hydrogel,AM-CGH),其具有較好的機(jī)械性能和形狀記憶性能,CGG濃度為2%時(shí)的復(fù)合水凝膠拉伸應(yīng)力為0.13 MPa、拉伸應(yīng)變?yōu)?130%,將CGG濃度為2%的水凝膠浸泡飽和檸檬酸鈉溶液(C_6H_5Na_3O_7)12 h后,拉伸應(yīng)力增大至0.54 MPa,是原始復(fù)合水凝膠的4.15倍,拉伸應(yīng)變?yōu)?00%,浸泡飽和C_6H_5Na_3O_7 35 min的形狀記憶率為80%。再次,以2-辛烯基琥珀酸酐(OSA)為改性劑,對(duì)GG進(jìn)行均相改性,成功制備了辛烯基琥珀酸瓜爾膠酯(OG),然后以O(shè)G為原料采用自由基聚合法制備了辛烯基琥珀酸瓜爾膠酯水凝膠(Octenylsuccinic acid Guar Hydrogel,OGH),研究了該水凝膠的機(jī)械性能和形狀記憶性能,OG濃度為10%時(shí)的水凝膠拉伸應(yīng)力為20 KPa、拉伸應(yīng)變?yōu)?80%;將其浸泡于0.1 mol/L的三氯化鐵溶液(FeCl_3)12 h后的拉伸應(yīng)力增大至1.09 MPa,拉伸應(yīng)力提高了54.5倍,拉伸應(yīng)變?yōu)?18%,浸泡0.1 mol/L的FeCl_3溶液1 min時(shí)的形狀記憶率為90%。最后,初步探索了瓜爾膠基水凝膠在柔性?shī)A爪機(jī)器人中的應(yīng)用,因本文制備的水凝膠具有良好的的導(dǎo)電性能,水凝膠因發(fā)生形變從而產(chǎn)生電阻值的變化,該變量可作為柔性?shī)A爪控制系統(tǒng)輸入量,氣動(dòng)控制器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整氣壓大小來(lái)控制柔性?shī)A爪實(shí)現(xiàn)靈活抓取的功能。
【圖文】：

圖 1.2 軟體機(jī)器人雖然國(guó)內(nèi)科學(xué)家對(duì)軟體機(jī)器人的探索起步比較晚，，但是國(guó)內(nèi)軟體機(jī)器人的發(fā)展勢(shì)態(tài)猛。2016 年，中國(guó)科技大學(xué)陳小平課題組研發(fā)的一種天然剛?cè)岷弦恍徒Y(jié)構(gòu)氣動(dòng)蜂巢體機(jī)械手[30]（如圖 1.3a）在軟體機(jī)器人研究領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注，該研究成果為消除傳統(tǒng)器人的局限性提供了一條具有巨大研究?jī)r(jià)值的新方向。2017 年，在北京航空航天大團(tuán)隊(duì)與德國(guó)Festo技術(shù)負(fù)責(zé)人Elias Knubben博士的合作下完成了OctopusGripper[31]（.3b）的研制，OctopusGripper 采用硅樹(shù)脂制作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同形態(tài)、不同大體無(wú)損地穩(wěn)定抓持，這是中國(guó)軟體機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展的又一次重大突破。此外，浙江鐵風(fēng)、黃志龍團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的軟體仿生機(jī)器魚(yú)在水中的游動(dòng)速度打破了世界同類(lèi)型軟魚(yú)的極限記錄。由此可見(jiàn)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在國(guó)家的大力支持下，多的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)展開(kāi)了對(duì)軟體機(jī)器人領(lǐng)域更為深入的研究，并將引領(lǐng)世界軟體領(lǐng)域的發(fā)展方向[24]。

圖 1.2 軟體機(jī)器人內(nèi)科學(xué)家對(duì)軟體機(jī)器人的探索起步比較晚，但是國(guó)內(nèi)軟體機(jī)器人的發(fā)16 年，中國(guó)科技大學(xué)陳小平課題組研發(fā)的一種天然剛?cè)岷弦恍徒Y(jié)構(gòu)氣手[30]（如圖 1.3a）在軟體機(jī)器人研究領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注，該研究成果為消局限性提供了一條具有巨大研究?jī)r(jià)值的新方向。2017 年，在北京航空德國(guó)Festo技術(shù)負(fù)責(zé)人Elias Knubben博士的合作下完成了OctopusGr研制，OctopusGripper 采用硅樹(shù)脂制作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同形態(tài)、地穩(wěn)定抓持，這是中國(guó)軟體機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展的又一次重大突破。此外黃志龍團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的軟體仿生機(jī)器魚(yú)在水中的游動(dòng)速度打破了世界同限記錄。由此可見(jiàn)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在國(guó)家的大力支學(xué)和科研機(jī)構(gòu)展開(kāi)了對(duì)軟體機(jī)器人領(lǐng)域更為深入的研究，并將引領(lǐng)世發(fā)展方向[24]。
【學(xué)位授予單位】：曲阜師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP242;TQ427.26

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本文編號(hào)：2626308