一种凝胶类仿生人工肌肉3D打印装置及制备方法与流程

本发明涉及人工肌肉技术领域，特别是涉及一种用3d打印方法制备人工肌肉。

背景技术：

驱动技术的发展历经蒸汽机、内燃机、电动机，机械系统的灵活性性、使用方便性、能量利用率也获得了大幅提升。但高性能机器人(微型、仿生机器人)要求高灵活性、高冗余度、高效率、高负载/质量比，电机还难以满足这些。生物体的各种运动方式中，大都通过肌肉伸缩与舒展实现，所以人工肌肉成为科学研究中的热点问题之一。人工肌肉主要是由中间的离子聚合物薄膜和两侧的金属电极构成，俗称“三明治”结构，制备过程主要是将金属电极良好地附着在薄膜两侧，驱动力是来自薄膜中间的阳离子的运动。

目前，人工肌肉制备有沉淀法、化学还原法、热压贴合法、浇铸法。在制备方法上，沉淀法在薄膜两侧沉淀一种胶态化的金属，但这种方法制备的人工肌肉两侧金属电极不能良好地附着在薄膜两侧，金属电极很容易脱落。在传统的工艺方法中，驱动器的致动膜和电极膜均为独立成膜，然后，通过热压贴合的方式组装到一起，这种方法无法保证电极膜与驱动膜表面的各个部分都能良好贴合在一起，从微观尺度来看，仍然会有很多表面是处于分离或者接触不良的状态，这就使得接触电阻阻值偏大，驱动器的性能限制于操作人员的熟练程度，性能比较不稳定。直接浇筑法不同于热压贴合工艺，是在成膜阶段将驱动层膜与电极膜浇铸在一起，这种方法较前三种有明显优势，驱动层与电极层的接触紧密不易开裂，但是浇铸法工艺过程复杂，效率低，成本高，无法进行批量生产。

因此，基于3d打印原理，提出一种仿生人工肌肉新型制备方法，该方法制备人工肌肉电极层与驱动层贴合紧密，接触电阻阻值低，驱动力和输出位移有明显提升。此外，制备工艺过程简单，成本低，可进行标准化、大批量生产，也可打印各种形状驱动器，适合于多种工作环境。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种人工肌肉的3d打印装置及制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

1、本发明提供如下技术方案：提出一种新型人工肌肉的3d打印设备，其特征在于：如图1，包括机架i、打印机构ii、打印平台iii、相分离模块iv、激光切割模块v、电极喷涂模块vi、温控模块vii。机架i包括床身(11)、横梁(12)和立柱(13)，横梁横向安装在床身上，并能够沿床身纵向滑动，立柱安装在横梁(12)上可垂直移动，并且能够沿着横梁横向滑动。如图2，打印机构ii其包括速度控制机构(21)、送料机构(22)和出料机构(23)；出料机构包括依次连接的蓄料箱(24)、锥型送料口(25)、可拆卸挤料箱(26)、第二温控装置(27)、喷头(28)。如图3，打印平台iii位于打印机构下面，由支撑组件安装在机架侧壁导轨上，其包括导向支撑组件(31)、打印平台(32)及驱动组件(33)；导向支撑组件安装于机架侧壁导轨上，打印平台可沿机架侧壁导轨滑动，驱动组件连接机架上驱动电机，驱动打印平台沿导轨滑动，并可使打印平台360°翻转。如图4，相分离模块iv位于打印平台机构下方，一个类似水槽形状结构，用于对人工肌肉进行水相分离。相分离水槽下底板安装有一个液压驱动装置，可将相分离水槽底板上升或下降；水槽底板在液压泵驱动作用下，向上升滑动，将氯化钠液体排出分离槽。激光切割模块v安装在机架横梁上，在驱动电机作用下沿横梁滑动，可对人工肌肉进行切边处理，避免正负电极短路，此外，还可以将人工肌肉切割为长宽一定比例的肌肉条，见图1(15)。电极喷涂模块vi安装在机架侧壁上，当人工肌肉驱动层打印完成后，翻转机构将打印平台旋转180°，并向有电极喷头一侧滑动，对驱动层喷涂壳聚糖/mwcnt水凝胶，见图1(16)。温控模块vii分两个单元，即第一温控装置与第二温控装置，第一温控装置控制3d打印机内部温度，包括第一热电偶、第一加热器和第一温度控制仪。第二温控装置控制外喷嘴温度，包括设置在喷头1外喷嘴内靠近出口处的第二热电偶和第二加热器，以及与第二热电偶和第二加热器电连接的第二温度控制仪。

2、一种电驱动纤维素凝胶人工肌肉，所述驱动器的制备流程主要分为制备电解质膜、制备电极膜、组装电解质膜与电极膜。驱动器包括可喷涂打印的壳聚糖/mwcnt柔性导电水凝胶、电活性纤维素聚合物材料(即电解质膜)，其中壳聚糖/mwcnt水凝胶电极层用侧壁喷头直接喷涂覆盖在电解质膜的两个表面，即驱动器的正极和负极均采用直接喷涂柔性导电水凝胶。或者驱动膜正极或负极采用3d打印设备喷涂水凝胶，而驱动器另一层电极采用浇铸法制备完成的电极膜，然后运用热压贴合法制备完整人工肌肉，将单独制备完成的壳聚糖/mwcnt电极膜贴合在电解质膜的另一个表面，然后，用热压机器将电极与中间层紧密压实。再者，电解质膜用该3d打印装置制备，两个电极膜单独制备，再通过手动组装的方式制作完整驱动器。

3、整体驱动器的电机械特性通过自制的实验平台进行测试，测试不同条件下的输出位移和输出力大小。图5是三种方法制备的驱动器(即人工肌肉)的电位移性能图，采用激光位移传感器(型号ft5070f，精度为0.01mm)测试三种方法制备的人工肌肉输出位移性能测试结果；图6是三种方法制备的驱动器(即人工肌肉)驱动力测试结果，通过电子力学万能试验机ag-a10测试各驱动器的力学性能。

纤维素仿生人工肌肉3d打印制备包括以下步骤：

(1)人工肌肉材料准备：首选，需要将纤维素粉溶解在离子液体bmic中，达到一定的浓度和适于打印的粘度，应用于人工肌肉的中间层。然后，需要将壳聚糖粉末溶解到醋酸溶液中，掺杂mwcnt，达成一定的浓度和适于打印的粘度，作为驱动器电极层。

(2)3d建模与程序烧写：使用制图软件solidworks设计打印模型和控制单元采用ardinomega2560r3，并对其上传程序处理。

(3)3d打印机基本设置：设置3d打印机打印驱动层厚度的0.5mm-0.8mm间，打印厚度2mm-5mm之间。设置干燥温度75℃每次工作30分钟。设置人工肌肉驱动层水相分离浸泡时间为10分钟。

(4)人工肌肉驱动层打印：喷头1工作，将预先配置纤维素水凝胶溶液通过喷头1打印在打印平台上；接着第一温控装置工作，第一加热器启动加热，将打印机内部温度升温75℃并稳定30分钟。

(5)人工肌肉驱动层相分离：打印平台旋转360°人工肌肉的电解质层附着在打印平台上(因纤维素水凝胶有较大粘度)。接着，打印平台在驱动组件(33)带动下沿侧壁导轨向下移动，将人工肌肉驱动层浸泡在离子液体(1mol/l氯化钠溶液)中。相分离水槽下底板安装有一个液压驱动器，可将相分离水槽底板(5)上升或下降，水槽底板在液压泵工作下上升滑动，将离子液体排出相分离水槽。

(6)打印电极：打印平台(32)旋转180°，由于打印平台底部有卡口存在且纤维素膜粘度大、附着性能好，所以纤维素驱动层会附着在旋转组件上不会脱落。然后，打印平台沿侧壁导轨向3d打印机侧壁安装有电极喷头一侧移动。电极喷头工作，将壳聚糖/mwcnt导电水凝胶喷涂在人工肌肉电解质膜表面作正电极。打印平台再旋转360°，对电解质膜的另一个表面喷涂负极凝胶。

(7)激光切割：激光切割模块启动工作。激光切割器对人工肌肉进行切边处理，避免了正负电极短路。

(8)末处理：激光切割模块重新启动，对人工肌肉进行切割可得到不同形状人工肌肉。与目前制备人工肌肉技术相比，本方法所实现的基于凝胶类3d打印制备的人工肌肉，具有以下优点。

①相比于现有的浇铸法制备人工肌肉，简化了工艺步骤，生产效率更高，可批量生产。

②相比热压贴合法形成人工肌肉组织，本方法所提出方案保证电极膜与驱动膜表面的各个部分都能良好贴合在一起，避免接触不良。

③相比于化学沉积法制备人工肌肉，本方法制备驱动器的性能不限制于操作员熟悉程度，性能比较稳定，可标准化生产；同时，驱动器电极层不使用贵重金属，环境影响小，驱动器可降解、绿色环保。在仿生机器人，医疗器材、工业产品制造等领域有广泛应用。

附图说明

图1纤维素仿生人工肌肉3d打印设备剖视图。

图2人工肌肉3d打印机的打印机构结构示意图。

图3人工肌肉3d打印机的打印平台结构图。

图4人工肌肉3d打印的相分离装置结构图。

图5对比三种实施的人工肌肉的输出位移(cm)与时间(s)变化曲线。

图6对比三种实施的人工肌肉的输出力(mn)与时间(s)变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明三种实施案例的技术方案，进行清楚、完整地描述。

实施例一

本发明提供一种技术方案：一种凝胶类仿生人工肌肉的3d打印制备方法,包括以下步骤：

(1)3d建模与程序烧写：用制图软件solidworks设计模型并对单片机的简单程序上传处理。

(2)3d打印机基本设置：设置3d打印驱动层厚度的精度0.5mm-0.8mm之间，打印厚度2mm-5mm之间。设置干燥温度75℃，每次工作30分钟。设置人工肌肉电解质层水相分离浸泡时间为10分钟。

(3)人工肌肉驱动层打印：喷头1工作，将预先配置纤维素水凝胶通过喷头1喷涂在打印平台上；接着第一温控装置工作，第一加热器启动加热，将打印机内部温度升温75℃并稳定30分钟。

(4)人工肌肉电解质层相分离：打印平台在驱动组件(33)带动下沿侧壁道轨向下移动，将人工肌肉电解质层浸泡在离子液体(1mol/l氯化钠溶液)中。离子液体的氯离子进入驱动层，可增强电解质膜的离子通透性。相分离水槽下底板安装有一个液压泵，可将相分离水槽底板(5)上升或下降，水槽底板在液压泵工作下上升滑动，将离子液体排出相分离水槽。

(5)打印壳聚糖/mwcnt柔性电极：侧壁电极喷头工作，在纤维素电解质层表面喷涂一层电极。接着，打印平台(32)旋转180°，由于打印平台底部有卡口存在加上纤维素膜附着性能非常好，因此纤维素驱动层会附着在旋转组件上不会脱落。电极喷头工作，在驱动膜表面打印驱动器正极。接着，打印平台再旋转360°，将电解质膜的另一个面对着电极喷头，在人工肌肉电解质层的另一个表面喷涂壳聚糖/mwcnt水凝胶作负极。

(6)激光切割：激光切割模块5启动工作，激光切割器安装在机架横梁，可沿着横梁移动。激光切割器对驱动器(即人工肌肉)进行切边处理，避免了正负电极短路。

(7)未处理：激光切割模块重新启动，对人工肌肉进行切割可得到长宽不同比例人工肌肉，如长×宽为8cm×1cm的人工肌肉条。

实施二

在实施二中，人工肌肉电极层正极或负极采用3d打印喷涂。而另外一个电极层，通过热压贴合方法，制备完整驱动器；首先，将采用单独制备好的壳聚糖/mwcnt柔性水凝胶电极热压贴合在人工肌肉驱动层的另一表面，然后，再用热压片机轻微压实，保证电极层与驱动层紧密贴合，弯曲过程中不相开裂，详细制备过程如下。

(1)3d建模与程序烧写：用制图软件solidworks设计模型并对单片机进行程序上传处理。

(2)3d打印机基本设置：设置3d打印机打印精0.5mm-0.8mm间，人工肌肉电解质层打印厚度3mm-5mm之间。设置干燥温度75℃摄氏度，每次工作30分钟。设置人工肌肉电解质层水相分离浸泡时间为10分钟。

(3)人工肌肉驱动层打印：喷头1工作，将预先配置纤维素溶液通过喷头1打印在打印平台上；接着第一温控装置工作，第一加热器启动加热，将打印机内部温度升温75℃并稳定30分钟。

(4)人工肌肉电解质层相分离：打印平台在驱动组件(33)带动下沿侧壁导轨向下移动，将人工肌肉电解质层浸泡在离子液体(1mol/l氯化钠溶液)中。离子液体的氯离子进入驱动层，可增强电解质膜的氯离子通透性。相分离水槽下底板安装有一个液压泵，可将相分离水槽底板上升或下降，水槽底板在液压泵驱动器工作下上升滑动，将离子液体排出相分离水槽。

(5)打印壳聚糖/mwcnt柔性电极：侧壁电极喷头工作，在纤维素电解质表面喷涂一层电极。首先，打印平台旋转180°，由于打印平台底部有卡口存在加上纤维素膜附着性能非常好，所以纤维素驱动层会附着在旋转组件上不会脱落。然后，侧壁电极喷头工作，在电解质膜表面喷涂导电水凝胶作驱动器正极。

(6)激光切割：激光切割模块5启动工作，激光切割器安装在机架横梁上，可在步进电机驱动下沿横梁滑动。激光切割器对驱动膜进行切边处理。同时将纤维素驱动器分割成8cm×1cm大小肌肉条。

(7)热压贴合：将3d打印机制备的半成品人工肌肉与单独制备的柔性电极装配在一起；然后，用压片机轻微施加一定力。至此，制备出完整的电解质膜一侧用3d打印设备喷涂电极，另一侧电极单独制备热压贴合的人工肌肉。

实施三

在实施三中，人工肌肉的中间电解质层采用3d打印制备，正负电极膜均采用铸膜法单独制备；然后，用热压贴合法，将单独制备的柔性电极膜动手贴合在纤维素电解质膜人工肌肉两面做正负极；再用，热压机将驱动器电解质层和电极层压实紧密。

(1)3d建模与程序烧写：用制图软件solidworks设计模型并对单片机进行程序上传。

(2)3d打印机基本设置：设置3d打印机打印精度0.5mm-0.8mm间，人工肌肉驱动层打印厚度3mm-5mm之间。设置干燥温度75℃，每次工作30分钟。设置人工肌肉电解质层浸泡时间为10分钟。

(3)人工肌肉驱动层打印：喷头1工作，将预先配置纤维素溶液通过喷头1打印在旋转组件上；接着第一温控装置工作，第一加热器启动加热，将打印机内部温度升温75℃并稳定30分钟。

(4)人工肌肉驱动层相分离：首先，人工肌肉电解质层粘附着在打印平台上，打印平台旋转360°。然后，打印平台在驱动组件(33)带动下沿侧壁导轨向下移动，将人工肌肉电解质层浸泡在离子液(1mol/l氯化钠溶液)中，离子液体的氯离子进入电解质层，可增强电解质膜的离子通透性。相分离水槽下底板安装有一个液压泵，可将相分离水槽底板上升或下降，水槽底板在液压泵工作下上升滑动，将离子液体排出相分离水槽。

(5)激光切割：激光切割模块5启动工作，激光切割器安装在机架横梁上，可在步进电机驱动下沿横梁滑动。激光切割器对驱动器进行切边处理。也可根据具体需求，切割不同形状人工肌肉，如将纤维素驱动层分割成8cm×1cm大小肌肉条。

(6)装配：将3d打印制备的人工肌肉电解质层和单独制备电极组装成“三明治”结构，放在压片机上轻微压实。安装电极夹，对其进行输出力和输出位移测试。

三种实施案例的电机械测试结果(图5和图6)表明，3d打印制备的人工肌肉(纤维素基离子驱动器)较传统手工制备有很大优势。输出和输出位移有提升，这是因为，3d打印制备的人工肌肉电极层与中间层紧密接触，接触电阻大大减小，便于电子转移。由人工肌肉驱动原理可知，电极层与中间层接触电阻越小，人工肌肉驱动效果越好。此外，通过3d方法制备凝胶类人工肌肉还具有以下优点。

第一，制备工艺过程简单，简化了制备流程；

第二，制备效率高、可标准化批量生产；

第三，制备人工肌肉较手工制作降低了人力成本，同时，也减少人为因素对驱动器性能影响。