一种基于液态金属固液转换的可变形装置的制作方法

本实用新型涉及固定装置技术领域，具体涉及一种基于液态金属固液转换的可变形装置。

背景技术：

随着材料技术的不断发展，各种新型材料逐渐进入人们的日常生活，并发挥着各种各样的作用。例如：根据钢铁、石料、木材、玻璃等硬质材料常用于房屋建筑、室内装修、汽车制造等领域。这些硬质材料都具有很高的硬度和刚性，能够起到结构支撑和固定的作用。根据橡胶、水凝胶、纤维等软质材料常用于服装制造、家具外套、生物医疗等领域。这些软质材料都具有较低的杨氏模量，有些具有很好的弹性和拉伸性能，在较小的应力作用下就可以发生变形运动，具有很好的灵活性，能够适应多种复杂的应用环境。

无论硬质材料还是软质材料都可以用于制造变形装置。例如：根据可以通过液压驱动或电机驱动的方式实现机械杠杆的运动，常见的有液压杆和机器人等；可以采用橡胶气囊、介电弹性体、电致伸缩弹性体等软质材料制作可变形器件，常见的有气动软体机器人、人工肌肉等。硬质材料和软质材料都有各自的优势和不足。

目前的变形装置只能发挥硬质材料或软质材料的优势，而不能将两者有机结合，也不能实现两种材料的相互转换。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种基于液态金属固液转换的可变形装置，用以解决现有技术中的变形装置只能发挥硬质材料或软质材料的优势，不能将两者有机结合，也不能实现两种材料的相互转换的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种基于液态金属固液转换的可变形装置，包括，柔性微管道、可充放气的气囊和加热装置，所述柔性微管道分布在所述气囊的内腔表面，所述柔性微管道内填充有在常温下保持固态的液态金属，所述加热装置用于加热所述液态金属，使其从固态转变为液态。

其中，所述加热装置为电加热装置，所述电加热装置包括电极连接线、控制电路，所述电极连接线一端与所述柔性微管道电连接，另一端与所述控制电路电连接。

其中，所述电加热装置还包括温度传感器和电流限制芯片，所述温度传感器用于检测液态金属的温度变化，所述电流限制芯片用于控制电流大小。

其中，所述柔性微管道为硅胶软管，或，直接在所述气囊表面铸造的微型细管，或，液态金属喷涂在所述气囊内腔表面形成的金属线路。

其中，所述柔性微管道呈螺旋网状结构排列，或方格网状结构排列。

其中，所述气囊结构为空心圆柱体。

其中，所述气囊为多个小型气室叠加而成的可伸缩长圆柱，所述气囊顶端设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制电路连接，用于向控制电路反馈压力信息，所述控制电路根据反馈的压力信息调整相应气囊的充气量。

其中，所述气囊为多个扇形气室组成的可弯曲圆柱。

其中，所述液态金属为镓铟锡合金或铋铟锡合金。

其中，所述液态金属熔点低于60℃。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提出的一种基于液态金属固液转换的可变形装置具有以下优点：

利用液态金属熔点较低的特性，将灌注液态金属的柔性微管道设置在可充气气囊的内腔表面。液态金属在常温下保持固体形态，具有很高的金属硬度，能够维持气囊形态，并且能够抵抗外界的应力作用；在加热装置的作用下，液态金属由固态熔化为液态，表现出很好的流动性，此时柔性微管道随气囊的形态变化而变化，可以发生任意形状的变形运动，而且具有很好的弹性。该装置实现了在硬质材料和软质材料之间的可控切换，通过气囊充气、放气实现装置的变形运动。该装置可以用于复杂界面的固定和支撑，也可以用于制造可变形机械装置。

附图说明

图1为基于液态金属固液转换的可变形装置的结构示意图；

图2为基于液态金属固液转换的可变形装置的柔性微管道的螺旋网状结构排列方式示意图；

图3为基于液态金属固液转换的可变形装置的柔性微管道的方格网状结构排列方式示意图；

图4为适形性骨骼固定气囊结构示意图；

图5为适形性骨骼固定气囊使用示意图；

图6为可伸缩性长圆柱结构示意图；

图7为可变形气囊床垫示意图；

图8为半柔性气囊机械手臂结构示意图；

附图标记说明：

1-柔性微管道；2-可充放气的气囊；3-气泵；4-电极连接线；5-控制电路；6-小型气室；7-扇形气室；8-骨折小腿。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

图1是基于液态金属固液转换的可变形装置的结构示意图，如图1所示，一种基于液态金属固液转换的可变形装置，包括，柔性微管道1，可充放气的气囊2，电极连接线4，控制电路5。所述柔性微管道1分布在所述气囊2的内腔表面，所述柔性微管道1内填充常温下为固态的液态金属。

其中，所述电极连接线、控制电路为加热装置，所述电极连接线一端与所述柔性微管道电连接，另一端与所述控制电路电连接，用于加热熔化所述液态金属。优选的，所述电加热装置还可以包括温度传感器和电流限制芯片，所述温度传感器用来检测液态金属的温度变化，所述电流限制芯片控制电流大小。

其中，所述柔性微管道为硅胶软管，呈螺旋网状结构排列在所述气囊内腔表面。

其中，所述液态金属为熔点低于60℃的铋铟锡合金。

下面通过具体使用过程，对本装置进一步详细清楚的说明。

所述的柔性微管道1是外径为2mm，内径为1mm的硅胶软管。图2是基于液态金属固液转换的可变形装置的柔性微管道的螺旋网状结构排列方式示意图，如图2所示，多组硅胶软管按螺旋网状结构排列在气囊2内表面，所述液态金属是质量分数为35％的铋、49％的铟16％锡组成的铋铟锡合金，填充硅胶软管，所述铋铟锡合金的熔点略低于60℃。电极连接线4，控制电路5为加热装置，所述的电极连接线4是直径为1mm的金属丝，一端插入柔性微管道1，另一端连接控制电路5，形成闭合回路。所述的控制电路5提供3—5V电压，并与温度传感器和电流限制芯片连接。所述的气囊2外形为一个长方体圆柱，长度为10cm，直径为3cm，薄膜厚度为0.5mm，气囊2开口连接气泵3。

将未充气的气囊安放在需要固定和支撑的位置，打开控制电路5，使电路连通，在电流的热效应作用下，液态金属由固态熔化为液态，控制电路中的温度传感器感应液态金属的温度，电流限制芯片限制电路中的电流大小，即限制电流的热效应。气泵3开始工作，向气囊2内填充空气，此时柔性微管道1随气囊2的形态变化而变化，可以发生任意形状的变形运动，当气囊2达到所需的形状及体积时，气泵3停止工作，控制电路5关闭，液态金属自然冷却为固态。

本实施例中，该装置实现了在硬质材料和软质材料之间的可控切换，控制电路工作时，液态金属由固态熔化为液态，通过气囊充气、放气实现装置的变形运动，用于复杂界面的固定和支撑；控制电路断开时，液态金属温度逐渐降低到常温，由液态转变为固态，具有很高的金属硬度，能够维持气囊形态，抵抗外界的应力作用。

实施例二：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：其中，所述柔性微管道为直接在气囊表面铸造的微型细管，其中，所述柔性微管道为方格网状结构排列。其中，所述气囊结构为空心圆柱体。其中，所述液态金属为镓铟锡合金。

下面通过具体的使用过程对该装置进一步详细的说明。

如图4所示，该气囊2结构为空心圆柱体，所述的柔性微管道1是直接在气囊2内腔表面铸造的宽度为1mm微型细管。图3是基于液态金属固液转换的可变形装置的柔性微管道的方格网状结构排列方式示意图，如图3所示，多组微型细管按方格网状结构排列在气囊2的所有表面，所述液态金属为镓铟锡合金。

如图5所示，使用时，将患者的肢体放入未充气气囊2中央的空腔中，打开控制电路5，加热液态金属使其熔化，之后对气囊2充入氮气，使气囊2中央气室紧密贴合在患者肢体皮肤的表面；切断电源，液态金属自然冷却变成固体形态，使得气囊2薄膜变坚硬，紧密贴合皮肤的气囊不会发生形状变化，对受伤肢体起到固定的作用。

本实施例中，通过改变气囊的结构，使该装置应用到医疗领域，解决了现有医疗固定装置安装及拆卸复杂，且难以对伤患处起到良好的保护作用及固定作用，例如夹板固定，石膏固定。

实施例三：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：其中，所述气囊为多个小型气室叠加而成的可伸缩长圆柱。其中，所述气囊顶端设有压力传感器。

下面通过具体的使用过程对该装置进一步详细的说明。

如图6，图7所示，床垫是由若干组可变形的气囊进行排列形成的可变形平面结构，所述气囊为3个小型气室叠加而成的可伸缩长圆柱，气囊顶端安装有压力传感器。

在没有外力作用下，床垫保持平面结构，当人体躺在气囊床垫上，气囊顶端的压力传感器将压力信号传导到后级的控制电路，控制电路调节相应气囊的充气量，使气囊伸缩长度发生变化；当各个气囊压力稳定在同一水平后，切断液态金属的加热电源，使其自动冷却，气囊结构固定，用于支撑人体重量。

本实施例中，气囊是3个小型气室叠加而成的长圆柱结构，这种气囊结构可以在轴向产生较大的变形，而在径向的形变较小，因而这种气囊可以进行伸缩变形运动。多个气囊组成的气囊阵列能够根据外力作用调整相应气囊的充气量，能够更好地起到均匀支撑的作用，且舒适感更强。

实施例四：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：其中，所述气囊为多个扇形气室组成的可弯曲圆柱。

下面通过具体的使用过程对该装置进一步详细的说明。

如图8所示，所述气囊由若干个扇形气囊气室组成，柔性微管道分布在每个气囊的内表面，气囊两端分别与机械臂连接。该装置通过控制气囊变形程度，控制机械臂的状态。将气囊内的气体抽出，则气囊的弯曲度减小，机械手臂变直；向气囊内充气，则气囊的弯曲度增加，机械手臂变弯曲。

本实施例中，通过改变气囊的弯曲度改变机械手臂的状态，在两种状态下，切断液态金属的电源都可以使液态金属固化，从而将气囊的结构固定，且可以保持较高的机械强度。相比较于现有技术中的连接驱动装置结构简单。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。