卷绕的设备的制作方法

本发明涉及一种由一个或多个结构组成的设备。本发明还涉及一种形成具有一个或多个结构的设备的方法。

背景技术：

1、小至几毫米甚至更小的无线小型软体医疗设备已经能够安全地、适应性地在密闭空间中(诸如在带有包括小直径管道和通道的机器内，或者甚至在人体或动物体内)穿行。这种独特的能力在各种医疗应用中(诸如微创手术和局部按需治疗操作)也能够具有潜在的优势。

2、对于这种微型设备，已经探索了各种光学、热学和声学软致动方法。虽然这些设备体的柔软性使其带有能力来具有大的程序变形并且与环境安全交互，但它也限制了它们的输出力和重量标准化做功能力(work capacity，工作容量)。

3、通常，软设备表现出小的力输出和大的变形。材料的柔软性使其难以储存和释放大量的机械能。因此，它们不能用于需要大的力输出和高的做功能力的设备和机器人应用。

4、根据一个示例，不考虑增加外部磁场振幅，计算出现有磁性软设备的输出力在60μn左右饱和。

5、然而，一些医疗程序(诸如挤压、夹持和切割)需要带有更高力输出(即，力输出大于1n)的设备，这比之前报道的磁性软设备的最大能力高出约105倍。

6、在几厘米或更大范围内的规模下，卷绕的人造肌肉已被证明是很有前途的设备，通过连续将聚合物纤维扭曲(twisting，扭转、捻转)成卷绕的形状能够制造该设备。最近的研究表明，与之前提出的方法相比，卷绕的肌肉能够具有更高的做功能力和更大的输出力。具体地，卷绕的肌肉的做功能力比生物骨骼肌的做功能力大50倍。此外，当所述肌肉由碳纳米管、形状记忆聚合物和钓鱼线组成时，卷绕的肌肉可能提供比其自身重量高1000倍以上的输出。

7、此外，通过定制卷绕的肌肉的前驱纤维(precursor fiber)的成分或结构(例如，通过向前驱纤维添加氧化石墨烯(go)薄片或在其表面设计坚韧的护鞘)可能大大增加所述卷绕的肌肉的输出力和做功能力。这种卷绕的肌肉有望推动人形机器人、假肢和微流体设备的领域。

技术实现思路

1、鉴于该背景，本发明的目的在于提供带有大的输出力和高的做功能力的设备。

2、该目的是由独立权利要求的主题来解决的。

3、特别地，根据本发明的设备由一个或多个结构组成，每个所述结构包括至少三层。也就是说，该设备至少包括芯、活性(active)鞘(sheath，护套)以及保护鞘。芯由至少一种尼龙纤维形成，活性鞘包括树脂，氧化石墨烯(go)和第一类磁性粒子分别嵌入树脂。此外，保护鞘由弹性材料形成，该弹性材料保护内层不受外部环境的影响。

4、因此，换句话说，本发明的设备包括一个或多个结构(例如，人工卷绕的肌肉)，这些结构被集成到设备中(诸如微型软设备)，使得该设备的应用能够扩展到需要大的输出力和高的工作能力的设备。

5、一个或多个结构至少建立为三层结构，包括芯、活性鞘和保护鞘。每层都有特定的功能。

6、举例来说，芯的功能是提供设备的固有功能，即，如果需要设备的夹持或抓取功能，则通过能够实现这种夹持或抓取功能的结构能够形成芯，例如，以卷绕的结构的形式。

7、活性鞘允许以系留方式或更优选地非系留方式(例如，通过应用磁场和/或电磁场)对设备进行外部致动(external actuation)。

8、最后，保护鞘的功能是保护芯和活性鞘不受外部(诸如人体中存在的液体)的影响。

9、芯由至少一种尼龙纤维形成。这种纤维已被证明是有利的，因为例如它能够被扭曲以用作如上述所述的卷绕的结构。

10、活性鞘包括树脂，氧化石墨烯(go)和第一类磁性粒子(特别是纳米粒子)分别嵌入其中。第一类磁性粒子也能够包括顺磁性(paramagnetic)和/或超顺磁性(纳米)粒子。go粒子和磁性粒子的组合能够增加活性鞘的韧性，并且能够分别实现例如，无线加热，诸如射频磁加热。加热过程是致动结构所必需的。

11、此外，将((超)顺)磁性粒子和go粒子引入活性层能够有助于实现非系留致动，力输出高达3n以上，并且高的工作能力能够达到高达3.5kj/kg的值。

12、保护鞘的功能是保护内层不受外部环境的影响。例如，流体环境能够降低设备的加热效率，从而影响设备的致动应变和输出力。保护层能够被配置为保护内层不受这种影响。保护层的另一个功能是设备处于动作状态时能够保护内层不受可能发生的结构损坏，例如，由于与其它结构的机械碰撞。保护层的另一个功能还能够是保护外部环境不受活性鞘生成的热量的影响。能够证明，例如在距离设备表面较小的距离(诸如2mm)测量温度时，没有保护层的设备的表面温度上升到120℃以上，而包括保护层在内的设备的表面温度能够保持在大约60℃甚至更低，诸如30℃。

13、因此，能够得出结论，该结构的保护层包括若干重要功能。

14、在这方面还注意的是，通过将这些结构中的一个或多个集成到不同的设备中，能够实现各种各样的微型设备，诸如缝合设备、剪刀、钻孔机和能量存储双稳态结构，这些都需要高的力输出和做功能力。

15、根据本发明的第一实施例，设备还包括第四层，该第四层为磁化鞘。例如，所述第四层能够被用于在设备上编码磁化曲线，以实现磁性变形和高输出收缩力。

16、根据另一个实施例，磁化鞘包括磁性粒子和弹性体的组合，诸如ndfeb和pdms的组合。第四层磁性粒子的其他示例能够是永磁粒子，诸如alnico磁体和/或smco磁体。弹性体基体还能够包括硅橡胶，诸如ecoflex 00-30tm、ecoflex 00-50tm或dragon skin 30tm。

17、活性鞘的树脂还可以包括聚氨酸酯浇注树脂，诸如crystal cleartm或尼龙。活性鞘的基体材料，即，活性鞘的树脂，必须包括非常耐用的坚韧材料。

18、根据另一个实施例，第一类磁性粒子由fe3o4形成。也就是说，活性鞘中存在的磁性粒子是由fe3o4粒子形成的，这些粒子能够用于在例如射频磁加热等情况下生成热量。例如，这样的加热过程能够使卷绕的结构收缩从而生成移动。

19、第一类磁性粒子，即fe3o4粒子，能够包括在10nm至500nm范围内选择的尺寸，尤其是在20nm至200nm范围内，特别是在50nm至100nm范围内。

20、根据另一个实施例，该设备包括由ndfeb形成的第二类磁性粒子，该第二类磁性粒子包括在0.1μm至10μm的范围内选择的尺寸，尤其是在2μm至6μm的范围内。第二类磁性粒能够嵌入第四层(如果存在)。例如，这种粒子能够被用于在磁性扭矩和磁性梯度下推动根据本发明的不同设备。这种粒子的平均直径通常在5μm左右。

21、活性鞘还可以包括范围在50μm至300μm内的厚度，特别是100μm至250μm，尤其是200μm。

22、活性鞘能够包括在1wt％至6wt％范围内选择的go浓度，尤其是在2wt％至4wt％的范围内。增加设备的go浓度能够增强设备的输出性能。然而，随着go浓度的增加，活性鞘会变得更加脆弱和易碎。因此，go浓度的正确选择并非易事。

23、在另一个实施例中，活性鞘包括在10wt％至30wt％的范围内选择的第一类磁性粒子的磁粒浓度。活性鞘的加热效率随着第一类磁性粒子浓度的增加而增加，这对本发明的设备是有利的。但是，如果所述浓度过高，则设备更容易损坏。因此，上述10wt％至30wt％的范围已被证明是可取的。

24、该设备还能够包括卷绕的形状。正如在本技术的介绍部分所述，卷绕的结构已被证明具有更高的做功能力和更大的输出力。

25、根据另一个实施例，尼龙纤维包括在0.1mm至0.5mm范围内选择的直径，尤其是0.2mm至0.5mm，特别是0.45mm。

26、在这方面还注意的是，尼龙纤维能够具有在1cm至100cm范围内选择的长度，特别是在1cm至50cm范围内，特别是在5cm至40cm范围内。

27、根据另一个实施例，该设备包括在0.1mm至10mm范围内选择的直径，特别是0.4mm至5mm的直径，尤其是0.4mm至1.2mm。

28、在这方面注意的是，如前所述的尼龙纤维能够被扭曲多次以形成卷绕的结构，例如扭曲次数能够在100到10000次扭曲之间选择，即，卷绕的结构在每个芯中包括100至10000圈的单根尼龙纤维。确切的圈数取决于应该扭曲的纤维的长度。例如，对于1cm至50cm范围内的纤维长度，大约需要100至1000圈。

29、根据又一个实施例，该设备包括至少一个功能组件，诸如框架、刀片、杆、螺钉、底盘和/或前述的组合。这些功能组件能使该设备用于各种应用，诸如非系留微型软(医疗)设备和机器人应用，从而扩大了当前已知设备的应用领域。也就是说，能够实现缝合器、钻机、剪刀、夹持器甚至多联接设备的不同设备示例，每个设备都具有对应的潜在功能。

30、根据本发明的另一个方面，提供了一种形成具有一个或多个三层结构的设备的方法。该方法包括以下步骤：提供纤维；利用活性鞘材料对纤维进行涂覆，其中，活性鞘材料包括树脂，氧化石墨烯(go)和第一类磁性粒子嵌入树脂；利用保护鞘材料进一步对纤维进行涂覆，其中该保护鞘材料包括弹性材料；以及，连续扭曲和卷绕涂覆的所述纤维以形成该设备。可选地，也可以在扭曲和缠绕之前固化涂覆的所述纤维。

31、根据本发明的一个实施例，该方法还包括在卷绕涂覆的纤维之前用额外的磁性鞘对纤维进行涂覆的步骤。所述额外的磁性鞘是磁性粒子与弹性体的组合，诸如ndfeb和pdms的组合。用于第四层的磁性粒子的其他示例能够是永磁粒子，诸如alnico磁体和/或smco磁体。弹性体基体还能够包括硅橡胶，诸如ecoflex 00-30tm、ecoflex 00-50tm或dragonskin30tm。

32、卷绕涂覆的所述纤维的步骤还可以包括至少250圈，优选300至400圈。确切的圈数通常取决于纤维的长度。例如，需要100到800圈才能卷绕长度为5cm至40cm的纤维。