可編碼執(zhí)行器及其控制方法和微機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于執(zhí)行機(jī)械動作的執(zhí)行器，更具體地，涉及可編碼執(zhí)行器及其控制方法和微機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]執(zhí)行器(actuator)是接收控制信息并且對受控對象施加控制作用的系統(tǒng)。執(zhí)行器可以對外部的刺激(如光、熱、電壓、電流、流體壓力、氣體壓力等)產(chǎn)生機(jī)械動作?，F(xiàn)有的執(zhí)行器一般通過電流或壓力的刺激執(zhí)行動作。例如，電磁閥作為電致器，在電流的控制下實(shí)現(xiàn)閥的開關(guān)動作。近年來，光執(zhí)行器也獲得了越來越多的關(guān)注。光執(zhí)行器的核心元件在光照射下發(fā)生可逆的彎曲和/或伸縮，從而可以用作馬達(dá)、栗、行走裝置等。
[0003]在一種現(xiàn)有的光執(zhí)行器中，光致動器的核心元件為液晶高分子材料。在光照射下，液晶分子的取向發(fā)生改變，光致動器的變形為彎曲。在另一種現(xiàn)有的光執(zhí)行器中，光致動器的核心元件為液晶高分子材料和碳納米管組成的網(wǎng)絡(luò)。在光照射下，碳納米管吸收光并轉(zhuǎn)化成熱能，從而誘導(dǎo)熱敏液晶高分子的相變，光致動器的變形為收縮。上述現(xiàn)有的光致動器靈敏度低且容易受到環(huán)境光的干擾誤動作。
[0004]作為進(jìn)一步改進(jìn)的光致動器的核心元件為聚合物和單壁碳納米管的雙層結(jié)構(gòu)。該單壁碳納米管僅僅響應(yīng)特定波長，在光照射下發(fā)生快速的溫升，在沒有光照射時(shí)發(fā)生快速的溫度降低。由于光致熱效應(yīng)，雙層結(jié)構(gòu)發(fā)生彎折。該光致動器由于響應(yīng)特定波長的光而提高了抗干擾性。
[0005]然而，上述光致動器只能提供單一形式的動作以及實(shí)現(xiàn)單一的功能，例如，作為閥的執(zhí)行部件。為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人的行走裝置的復(fù)雜運(yùn)動，期望光致動器可以根據(jù)控制光產(chǎn)生復(fù)雜形式的動作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種基于選擇性光機(jī)材料的可編碼執(zhí)行器及其控制方法和微機(jī)器人。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種可編碼執(zhí)行器，用于響應(yīng)所述多個(gè)波長的光照射產(chǎn)生至少一個(gè)機(jī)械動作，所述可編碼執(zhí)行器包括:聚合物層；以及位于聚合物層的多個(gè)區(qū)域中的多組碳納米管，其中，所述多組碳納米管分別響應(yīng)不同特定波長的光照射，使得所述聚合物層發(fā)生局部的變形，從而產(chǎn)生所述至少一個(gè)機(jī)械動作。
[0008]優(yōu)選地，所述多組碳納米管分別為位于所述聚合物的表面上的多個(gè)碳納米管層。
[0009]優(yōu)選地，所述多組碳納米管分別分散在所述聚合物層層中的多個(gè)區(qū)域中。
[0010]優(yōu)選地，所述聚合物層為聚碳酸酯薄膜。
[0011]優(yōu)選地，所述多組碳納米管的不同組碳納米管的手性彼此不同。
[0012]優(yōu)選地，所述聚合物層形成中空柱體。
[0013]優(yōu)選地，所述多組碳納米管包括第一組和第二組碳納米管，并且第一組和第二組碳納米管沿柱體的軸向分布且彼此隔開。
[0014]優(yōu)選地，所述多組碳納米管包括第一組至第四組碳納米管，并且第一組至第四組碳納米管沿柱體的圓周方向分布且彼此隔開。
[0015]優(yōu)選地，所述多組碳納米管包括第一組至第四組碳納米管，并且第一組碳納米管和第二組碳納米管沿柱體的軸向分布且彼此隔開，第三組碳納米管和第四組碳納米管沿柱體的軸向分布且彼此隔開，第一組碳納米管和第三組碳納米管沿柱體的圓周方向分布且彼此隔開，第二組碳納米管和第四組碳納米管沿柱體的圓周方向分布且彼此隔開。
[0016]優(yōu)選地，所述聚合物層的熱膨脹系數(shù)是所述多組碳納米管的熱膨脹系數(shù)的幾倍或十倍以上。
[0017]優(yōu)選地，所述至少一個(gè)機(jī)械動作包括選自行走、停止、彎曲、伸直、旋轉(zhuǎn)中的至少一種。
[0018]優(yōu)選地，所述多個(gè)碳納米管層的厚度為0.02微米至2微米，所述聚合物層的厚度為I微米至100微米。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種微機(jī)器人，包括運(yùn)動模塊，所述運(yùn)動模塊包括由上述的可編碼執(zhí)行器，用于產(chǎn)生所述微機(jī)器人的運(yùn)動；以及設(shè)置在所述運(yùn)動模塊上的至少一個(gè)操作模塊，所述操作模塊包括由上述的可編碼執(zhí)行器，用于產(chǎn)生所述微機(jī)器人的機(jī)械動作。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種可編碼執(zhí)行器的控制方法，所述可編碼執(zhí)行器包括:聚合物層；以及位于聚合物層的多個(gè)區(qū)域中的多組碳納米管，所述方法包括:采用多個(gè)波長的光照射所述多組碳納米管，其中，所述多組碳納米管分別響應(yīng)不同波長的光照射，使得所述聚合物層發(fā)生局部的變形，從而產(chǎn)生至少一個(gè)機(jī)械動作。
[0021]優(yōu)選地，設(shè)置所述多個(gè)波長的光的照射順序，使得所述聚合物層的所述多個(gè)區(qū)域依次發(fā)生變形，從而產(chǎn)生所述至少一個(gè)機(jī)械動作。
[0022]優(yōu)選地，所述變形包括選自所述聚合物層的彎曲、延伸和收縮中的至少一種，所述至少一個(gè)機(jī)械動作包括選自行走、停止、彎曲、伸直、旋轉(zhuǎn)中的至少一種。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器利用不同波長的光調(diào)節(jié)聚合物層的不同區(qū)域，從而可以產(chǎn)生復(fù)雜形式的動作。
[0024]與已有的光機(jī)執(zhí)行器相比，本發(fā)明提出的基于選擇性光機(jī)材料的可編碼執(zhí)行器具有以下的優(yōu)勢:不受光波長限制可以實(shí)現(xiàn)亞光波長尺度上的復(fù)雜微小機(jī)械動作；可完成復(fù)雜動作，基本動作通過入射不同波長的光，復(fù)雜動作通過入射不同的波長光組合；不需要考慮入射光的朝向；各個(gè)執(zhí)行模塊可以任意組合，完成多種復(fù)雜動作功能的集成。
【附圖說明】
[0025]通過以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0026]圖1示出單一手性碳納米管的光吸收譜；
[0027]圖2示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖3a和3b示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器的工作示意圖；
[0029]圖4示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖5a和5b示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器的工作示意圖；
[0031]圖6a_6c示出本發(fā)明的第三實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖和工作示意圖；
[0032]圖7示出本發(fā)明的第四實(shí)施例的微機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細(xì)敘述。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。除非上下文明確要求，否則整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。
[0034]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0035]碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能，而且在紅外區(qū)域具有很好的吸收特性。圖1示出了單一手性碳納米管的光吸收譜。如圖1所示，不同手性結(jié)構(gòu)的碳納米管只對特定波長的光具有吸收性。手性結(jié)構(gòu)為(6，4)的碳納米管在近紅外區(qū)域的吸收峰對應(yīng)的波長為877納米。手性結(jié)構(gòu)為(6，5)的碳納米管在近紅外區(qū)域的吸收峰對應(yīng)的波長為983納米，手性結(jié)構(gòu)為(7，5)的碳納米管在近紅外區(qū)域的吸收峰對應(yīng)的波長為1020納米，手性結(jié)構(gòu)為(7,6)的碳納米管在近紅外區(qū)域的吸收峰對應(yīng)的波長為1122納米。
[0036]將碳納米管層設(shè)置在聚碳酸酯薄膜上組成雙層薄膜，在紅外光的照射下，碳納米管可以吸收紅外光并將其轉(zhuǎn)化為熱能，碳納米管的熱膨脹系數(shù)小于4ppm/K，聚碳酸酯薄膜的熱膨脹系數(shù)約為65ppm/K，從而誘導(dǎo)聚碳酸酯薄膜產(chǎn)生可逆的形變。當(dāng)去除紅外光后，聚碳酸酯薄膜可以恢復(fù)到照射前狀態(tài)。
[0037]本發(fā)明提出的可編碼執(zhí)行器和微機(jī)器人利用聚碳酸酯薄膜的形變可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N復(fù)雜的機(jī)械動作。輸入光信號的光源可以是激光器、發(fā)光二極管等。
[0038]以下基于實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。
[0039]第一實(shí)施例
[0040]圖2示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖，其中在左側(cè)示出沒有光照射時(shí)的結(jié)構(gòu)，右側(cè)示出光照射時(shí)的結(jié)構(gòu)。第一實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器100包括聚合物層101，第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204。
[0041]聚合物層101例如為10微米厚的聚碳酸酯薄膜圍成的中空圓柱。第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204平行等間距設(shè)置在聚合物層101的外表面。第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204的厚度分別為I微米。
[0042]選擇不同手性的碳納米管，使得第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204的光吸收波長分別為λ?、λ 2、λ 3、λ 4，其中λ 1、λ 2、λ 3、λ 4彼此不同。
[0043]圖3a和3b示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的可編碼執(zhí)行器100的工作示意圖。
[0044]如圖3a所示，當(dāng)波長為λ 4的光照射可編碼執(zhí)行器100時(shí)，第四碳納米管層204吸收入射光，第一至第三碳納米管層不吸收入射光。第四碳納米管層204產(chǎn)生熱量，引起聚合物層101的形變。聚合物層101向著第二碳納米管層202 —側(cè)彎曲。
[0045]如圖3b中所示，當(dāng)波長為λ 2的光照射可編碼執(zhí)行器100時(shí)，第二碳納米管層202吸收入射光，第一、第三和第四碳納米管層不吸收入射光。第二碳納米管層202產(chǎn)生熱量，引起聚合物層101的形變.聚合物層101向著第四碳納米管204 —側(cè)彎曲。
[0046]類似地，聚合物層101可以向其他兩個(gè)方向彎曲，實(shí)現(xiàn)萬向軸的功能。
[0047]第二實(shí)施例
[0048]圖4示