基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撐座、硬化導(dǎo)電層、柔性樹脂層、柔性導(dǎo)電層、光滑橡膠層和人工肌肉伸縮單元，其中人工肌肉伸縮單元包括形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導(dǎo)線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以形狀記憶合金人工肌肉模仿海豚皮膚結(jié)構(gòu)中的彈性乳突，利用其獨(dú)特的材質(zhì)特性即受自身轉(zhuǎn)變溫度驅(qū)使所呈現(xiàn)出的雙程記憶效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)仿生海豚皮的凸包型或凹坑型形變，其彈性工作機(jī)制更為靈敏、可控，在結(jié)構(gòu)和功能仿生方面為工程仿生技術(shù)特別是仿生減阻表皮制造技術(shù)的發(fā)展提供了有益范例。
【專利說明】基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿生海豚皮，更特別地說，是指一種基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，屬于工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]有效降低航行器的表面阻力以提高速度、機(jī)動性、續(xù)航力以及燃料利用效率，對于國民經(jīng)濟(jì)和國防安全具有重要意義。海豚、鯊魚、金槍魚等高游速水下生物無疑為人類提供了極為寶貴的工程仿生范本，有針對性地研發(fā)低阻、高效的仿生減阻表皮成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003]海豚是海洋中的游泳冠軍，時(shí)速可達(dá)70?100千米。早在1936年，英國科學(xué)家Gray就發(fā)現(xiàn)海豚的游速已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其肌肉力量的限度，進(jìn)而提出著名的“格雷悖論”。研究發(fā)現(xiàn)，海豚之所以游得快，除了具有流線型身體外，更重要的是它特殊的彈性皮膚結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生類似消振器一樣的“自適應(yīng)表面”。海豚的皮膚分為三層，最外面的表皮層是薄而光滑的角質(zhì)膜，中間是真皮層，分布著許多富有彈性的管狀乳突，乳突里充滿海綿狀物質(zhì)，乳突間是血液或體液，最里層是稠密的膠原纖維和彈性纖維，其間充滿了脂肪。當(dāng)海豚快速游動時(shí)，隨著水阻力的增加，真皮層的微小乳突能承受很大的壓力，且其形狀和彈性可使海豚皮膚由光滑態(tài)逐漸起伏為一定的非光滑態(tài)，可以改變層流附面層的邊界條件，使邊界柔順化，減小邊界面的流速梯度和剪切力，防止或減緩?fù)牧鞯漠a(chǎn)生，從而降低游動阻力?？茖W(xué)家目前仿制出的“人造海豚皮”由三層橡膠組成，總厚度2.5 mm，其中模仿海豚表皮層的平滑外層厚0.5 mm，中層有橡膠乳頭以模仿海豚的真皮層，其間充滿了粘滯性液態(tài)硅樹脂，下層是厚
0.5 mm與船體接觸的支持板。減阻試驗(yàn)結(jié)果表明，它可以使魚雷和潛艇在海水中的運(yùn)動阻力減少50%。但這類人造海豚皮在對海豚皮生物原型特殊、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模仿上仍處較低水平，尤其是在對海豚乳突動態(tài)變形結(jié)構(gòu)的模仿上僅是用簡單的橡膠乳頭來替代，在結(jié)構(gòu)和功能仿生方面顯然仍有較大的提升空間。
[0004]人工肌肉是近幾十年問世的一種新型智能材料，它能夠在外加電場、環(huán)境溫度或酸堿度的作用下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮并產(chǎn)生力的作用，具有和生物肌肉十分相似的機(jī)能。目前已研發(fā)出的人造肌肉材料涉及聚合物、金屬、凝膠以及碳納米管等，其中形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡稱SMA)是當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的人工肌肉材料之
一。SMA是一種能夠記憶原有形狀的智能材料，當(dāng)溫度低于其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)將其人為變形，則當(dāng)溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)其可自動恢復(fù)到變形前形狀，且具有雙程記憶效應(yīng)的SMA可在重新冷卻至轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)又能回復(fù)到其低溫相形狀。形狀記憶合金人工肌肉充分利用了SMA這種獨(dú)特的雙程形狀記憶效應(yīng)，利用外來熱源控制其溫度在轉(zhuǎn)變溫度上下轉(zhuǎn)換，從而使其不斷在低溫相與高溫相之間往復(fù)變形，進(jìn)而展現(xiàn)出類似肌肉伸縮的較大力量，從而實(shí)現(xiàn)某種力的功能。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，以解決上述技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撐座、硬化導(dǎo)電層、柔性樹脂層、柔性導(dǎo)電層、光滑橡膠層、人工肌肉伸縮單元，所述支撐座用于支撐并將仿生海豚皮安裝固定于載體外殼壁面，所述硬化導(dǎo)電層的下表面與支撐座上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層的下表面相膠合，所述柔性樹脂層上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室，所述柔性導(dǎo)電層的下表面與柔性樹脂層的上表面相膠合，其上表面與光滑橡膠層的下表面相膠合，若干數(shù)量的人工肌肉伸縮單元對應(yīng)穿過柔性樹脂層上的伸縮室呈陣列化豎直排布于硬化導(dǎo)電層和柔性導(dǎo)電層之間，所述人工肌肉伸縮單元包括形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導(dǎo)線，形狀記憶合金人工肌肉簧的一端在保持與硬化導(dǎo)電層絕緣的同時(shí)與支撐座固定連接，另一端在與柔性導(dǎo)電層絕緣的同時(shí)與牽拉頭固定連接，借由可伸縮連接導(dǎo)線串聯(lián)起來的兩段式電加熱棒中的一段與硬化導(dǎo)電層做導(dǎo)電連接，另一段與柔性導(dǎo)電層做導(dǎo)電連接，牽拉頭的底面與柔性導(dǎo)電層的上表面相膠合，牽拉頭的其余面與光滑橡膠層下表面所開設(shè)的若干牽拉孔相對應(yīng)固定連接。
[0007]所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，自然狀態(tài)下柔性樹脂層的厚度是3.0 mm?5.0 mm,光滑橡膠層的厚度是1.5 mm?2.0 mm。
[0008]所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，陣列化排布的人工肌肉伸縮單元之間的間距是15.0 mm?20.0 mm。
[0009]所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形狀記憶合金人工肌肉簧所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應(yīng)的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金，其轉(zhuǎn)變溫度范圍為45°C?95°C。
[0010]所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形狀記憶合金人工肌肉簧時(shí)，先在溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)加工成高度為3.0 mm?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，再在溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)將其人為變形成高度為1.5 _?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，則實(shí)際應(yīng)用過程中仿生海豚皮將呈現(xiàn)凸包型變形。
[0011]所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，制作形狀記憶合金人工肌肉簧時(shí)，先在溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)加工成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)將其人為變形成高度為3.0 _?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，則實(shí)際應(yīng)用過程中仿生海豚皮將呈現(xiàn)凹坑型變形。
[0012]所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，牽拉頭的形狀是圓柱形、錐臺形、球形，牽拉頭水平方向上的直徑尺寸是1.0 mm?1.2 mm。
[0013]本發(fā)明的工作原理為:在環(huán)境溫度低于所用形狀記憶合金轉(zhuǎn)變溫度的工況下，將該仿生海豚皮安裝于水下航行器載體外殼壁面，在載體航行過程中通過采集水溫、航行速度、水密度、動力粘度等參數(shù)計(jì)算當(dāng)前工況下的雷諾數(shù)以判斷水流狀態(tài)；當(dāng)水流達(dá)到湍流時(shí)，給硬化導(dǎo)電層和柔性導(dǎo)電層通電以加熱兩段式電加熱棒，使得形狀記憶合金人工肌肉簧快速升溫至其轉(zhuǎn)變溫度以上，進(jìn)而形狀記憶合金人工肌肉簧基于自身材質(zhì)特性將自行在柔性樹脂層伸縮室內(nèi)開始變形，且該形變將以形狀記憶合金人工肌肉簧在低于其轉(zhuǎn)變溫度下所呈現(xiàn)的彈簧形態(tài)為依據(jù)，或由短粗型變?yōu)槭蓍L型，或由瘦長型變?yōu)槎檀中停恍螤钣洃浐辖鹑斯ぜ∪饣傻纳鲜鲂巫儗尤斯ぜ∪馍炜s單元的牽拉頭牽拉其附近的光滑橡膠層，使得每個(gè)人工肌肉伸縮單元附近的光滑橡膠層、柔性導(dǎo)電層和柔性樹脂層依次產(chǎn)生彈性變形，最終在每個(gè)人工肌肉伸縮單元上方的光滑橡膠層上形成凸包型或凹坑型非光滑表面；在此情形下，仿生海豚皮的光滑橡膠層、柔性樹脂層以及若干人工肌肉伸縮單元分別模仿了真實(shí)海豚皮的非光滑態(tài)表皮層、柔性真皮層以及真皮層內(nèi)的彈性乳突，三者的共同作用將減小邊界面的流速梯度和剪切力，有效減緩?fù)牧鞯奈：Γ瑥亩蟠蠼档洼d體航行器的航行阻力；當(dāng)不需要仿生海豚皮發(fā)揮減阻作用時(shí)，則停止供電以使形狀記憶合金人工肌肉簧逐漸降溫至環(huán)境溫度(該環(huán)境溫度必然低于轉(zhuǎn)變溫度)，則形狀記憶合金人工肌肉簧在雙程記憶效應(yīng)驅(qū)使下自動恢復(fù)至其低溫相形態(tài)，帶動仿生海豚皮亦恢復(fù)原狀，從而完成整個(gè)減阻作業(yè)。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)本發(fā)明以形狀記憶合金人工肌肉模仿海豚皮膚結(jié)構(gòu)中的彈性乳突，利用其獨(dú)特的材質(zhì)特性即受自身轉(zhuǎn)變溫度驅(qū)使所呈現(xiàn)出的雙程記憶效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)仿生海豚皮的凸包型或凹坑型形變，其彈性工作機(jī)制更為靈敏、可控；
(2)本發(fā)明采用的壓縮彈簧型形狀記憶合金人工肌肉簧設(shè)計(jì)，在一定程度上較其他形狀更能消抵日常應(yīng)用過程中外力對仿生海豚皮的觸碰和擠壓，從而起到有效的自我防護(hù)作用；
(3)本發(fā)明以柔性樹脂層模仿海豚皮膚結(jié)構(gòu)中的真皮層，不僅在工作機(jī)制上較其他材料更為形象、逼真，而且在使用壽命上比其他材料更為耐久、可靠；(4)本發(fā)明基于形狀記憶合金人工肌肉所制作出的仿生海豚皮，在結(jié)構(gòu)和功能仿生方面為工程仿生技術(shù)特別是仿生減阻表皮制造技術(shù)的發(fā)展提供了有益范例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮外觀結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層解剖圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的人工肌肉伸縮單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的柔性樹脂層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的光滑橡膠層仰視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6A為本發(fā)明的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮凸包型變形示意圖。
[0021]圖6B為本發(fā)明的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮凹坑型變形示意圖。
[0022]圖中:1、支撐座2、硬化導(dǎo)電層3、柔性樹脂層4、柔性導(dǎo)電層5、光滑橡膠層6、人工肌肉伸縮單元7、形狀記憶合金人工肌肉簧8、連接導(dǎo)線9、牽拉頭10、兩段式電加熱棒11、伸縮室12、牽拉孔13、微凸包14、微凹坑。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0024]參照圖1?圖5，基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，包括支撐座1、硬化導(dǎo)電層2、柔性樹脂層3、柔性導(dǎo)電層4、光滑橡膠層5、人工肌肉伸縮單元6 ;支撐座I用于支撐并將仿生海豚皮安裝固定于載體外殼壁面，硬化導(dǎo)電層2的下表面與支撐座I上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層3的下表面相膠合，柔性樹脂層3自然狀態(tài)下的厚度為5.0 mm,其上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室11，所述柔性導(dǎo)電層4的下表面與柔性樹脂層3的上表面相膠合，其上表面與厚度為2.0 mm的光滑橡膠層5的下表面相膠合；若干數(shù)量的人工肌肉伸縮單元6對應(yīng)穿過柔性樹脂層3上的伸縮室11呈陣列化豎直排布于硬化導(dǎo)電層2和柔性導(dǎo)電層4之間，且陣列化排布的人工肌肉伸縮單元6之間的間距是20.0 mm ;人工肌肉伸縮單元6包括形狀記憶合金人工肌肉簧7、牽拉頭9、兩段式電加熱棒10和連接導(dǎo)線8，形狀記憶合金人工肌肉簧7的一端在保持與硬化導(dǎo)電層2絕緣的同時(shí)與支撐座I固定連接，另一端在與柔性導(dǎo)電層4絕緣的同時(shí)與直徑為1.0 mm的圓柱形牽拉頭9固定連接，借由可伸縮連接導(dǎo)線8串聯(lián)起來的兩段式電加熱棒10中的一段與硬化導(dǎo)電層2做導(dǎo)電連接，另一段與柔性導(dǎo)電層4做導(dǎo)電連接，牽拉頭9的底面與柔性導(dǎo)電層4的上表面相膠合，牽拉頭9的其余面與光滑橡膠層5下表面所開設(shè)的若干牽拉孔12相對應(yīng)固定連接。
[0025]具體實(shí)施例一:參照圖1、圖2和圖6A，制作形狀記憶合金人工肌肉簧7所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應(yīng)的鎳鈦系合金，其轉(zhuǎn)變溫度為55°C。在制作形狀記憶合金人工肌肉簧7時(shí)，先在溫度高于55°C時(shí)加工成高度為5.0 _的瘦長型壓縮彈簧形狀，再在溫度低于55°C時(shí)將其人為變形成高度為2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀。
[0026]擬將該仿生海豚皮應(yīng)用于常年在近?；顒拥哪承湍ν型?艇長3.2 m)，仿生海豚皮的鋪設(shè)長度為2.0 m。首先，按照該型摩托艇通常工作環(huán)境(海水水溫20°C，密度為
1.025X IO3 kg/m3、動力粘度為1.002X10_3 kg/m *s)下的設(shè)計(jì)最低巡航速度7 m/s計(jì)算該工況下仿生海豚皮的雷諾數(shù):
【權(quán)利要求】
1.基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于，包括支撐座(I)、硬化導(dǎo)電層(2)、柔性樹脂層(3)、柔性導(dǎo)電層(4)、光滑橡膠層(5)、人工肌肉伸縮單元(6)，所述支撐座(I)用于支撐并將仿生海豚皮安裝固定于載體外殼壁面，所述硬化導(dǎo)電層(2)的下表面與支撐座(I)上表面相固定，其上表面與柔性樹脂層(3)的下表面相膠合，所述柔性樹脂層(3)上開有若干陣列化排布的通孔型伸縮室(11)，所述柔性導(dǎo)電層(4)的下表面與柔性樹脂層(3)的上表面相膠合，其上表面與光滑橡膠層(5)的下表面相膠合，若干數(shù)量的人工肌肉伸縮單元(6)對應(yīng)穿過柔性樹脂層(3)上的伸縮室(11)呈陣列化豎直排布于硬化導(dǎo)電層(2)和柔性導(dǎo)電層(4)之間，所述人工肌肉伸縮單元(6)包括形狀記憶合金人工肌肉簧(7)、牽拉頭(9)、兩段式電加熱棒(10)和連接導(dǎo)線(8)，形狀記憶合金人工肌肉簧(7)的一端在保持與硬化導(dǎo)電層(2)絕緣的同時(shí)與支撐座(I)固定連接，另一端在與柔性導(dǎo)電層(4)絕緣的同時(shí)與牽拉頭(9)固定連接，借由可伸縮連接導(dǎo)線(8)串聯(lián)起來的兩段式電加熱棒(10)中的一段與硬化導(dǎo)電層(2)做導(dǎo)電連接，另一段與柔性導(dǎo)電層(4)做導(dǎo)電連接，牽拉頭(9)的底面與柔性導(dǎo)電層(4)的上表面相膠合，牽拉頭(9)的其余面與光滑橡膠層(5)下表面所開設(shè)的若干牽拉孔(12 )相對應(yīng)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:自然狀態(tài)下柔性樹脂層(3)的厚度是3.0 mm?5.0 mm,光滑橡膠層(5)的厚度是1.5 mm?2.0 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:陣列化排布的人工肌肉伸縮單元(6)之間的間距是15.0 mm?20.0 mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:制作形狀記憶合金人工肌肉簧(7)所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應(yīng)的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金，其轉(zhuǎn)變溫度范圍為45°C?95°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:制作形狀記憶合金人工肌肉簧(7)時(shí)，先在溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)加工成高度為3.0 mm?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，再在溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)將其人為變形成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，則實(shí)際應(yīng)用過程中仿生海豚皮將呈現(xiàn)凸包型變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:制作形狀記憶合金人工肌肉簧(7)時(shí)，先在溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度時(shí)加工成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)將其人為變形成高度為3.0 mm?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀，則實(shí)際應(yīng)用過程中仿生海豚皮將呈現(xiàn)凹坑型變形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金人工肌肉的仿生海豚皮，其特征在于:牽拉頭(9)的形狀是圓柱形、錐臺形、球形，牽拉頭(9)水平方向上的直徑尺寸是1.0 mm?1.2mmD
【文檔編號】B63B1/32GK103818517SQ201410107754
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】韓鑫, 靳印凱, 陳亮亮, 邱先慧 申請人:山東理工大學(xué)