專利名稱：高分子致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高分子致動器(actuator)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人的實用性已在包括護(hù)理服務(wù)、危險作業(yè)和娛樂的多個領(lǐng)域中引起關(guān)注。適用于這些應(yīng)用的機(jī)器人需要具有類似于動物的可進(jìn)行復(fù)雜運動的關(guān)節(jié)(可動部件)。
用來驅(qū)動這些可動部件的常規(guī)致動器是磁性旋轉(zhuǎn)電機(jī)。然而，該致動器因為由金屬制成而具有重量大的缺陷。
帶入到可動部件中的致動器重量增大了負(fù)荷。重的致動器需要大輸出，且大功率致動器是巨大和沉重的。這是一個難以解決的矛盾問題。
此外，磁性旋轉(zhuǎn)電機(jī)需要減速器以控制旋轉(zhuǎn)速度和扭矩。因為其中的齒輪磨損，減速器隨著時間而損壞。
在低旋轉(zhuǎn)速度下產(chǎn)生高扭矩的超聲馬達(dá)不需要減速器；但因為是由金屬制成，它們也很沉重(并因此提出了上述的相同問題)。
為了該原因，最近開發(fā)出了其中輕的柔性聚合材料起到重要作用的高分子致動器。
該高分子致動器包括聚合壓電元件(其使用聚偏二氟乙烯)、導(dǎo)電高分子致動器(其使用電子導(dǎo)電高分子)和凝膠致動器(其使用聚合凝膠)。
所述凝膠致動器，特別是使用水溶脹聚合水凝膠的致動器，其運作依賴于聚合水凝膠，該聚合水凝膠響應(yīng)于在其環(huán)境內(nèi)的溫度、離子強(qiáng)度和pH而在體積上發(fā)生改變。體積改變量為30-50％，且體積上的所述改變產(chǎn)生了0.2-0.4MPa的力。該性能可與骨骼肌的性能相比。
然而，所述聚合水凝膠具有一些缺陷。其不能快速被加熱或冷卻。其需要必須用泵進(jìn)行循環(huán)和儲存在儲存器(reservoir)中的電解液以控制離子濃度。因此，其不適用于小、輕的系統(tǒng)。
還有其他類型的聚合水凝膠，其稱為pH-響應(yīng)聚合水凝膠。該水凝膠取決于其周圍水溶液的pH而在體積上發(fā)生變化(通過電化學(xué)反應(yīng))。
通過利用在電極附近的pH變化和由于當(dāng)對放置在電解水溶液中的電極施加電壓時在電極表面上形成的雙電層而發(fā)生的濃度梯度的現(xiàn)象，可驅(qū)動和控制所述pH-響應(yīng)水凝膠。
上述pH-響應(yīng)水凝膠在構(gòu)成所述凝膠的高分子中具有酸性或堿性官能團(tuán)，因此所述凝膠取決于其周圍水溶液的pH而發(fā)生溶脹(或在體積上發(fā)生改變)。
例如，具有酸性官能團(tuán)的pH-響應(yīng)水凝膠以如下方式運作。當(dāng)其在具有高pH的電解水溶液中時，在該凝膠中的酸性基團(tuán)離解出質(zhì)子變成陰離子，從而增大了親水性并在帶負(fù)電的分子中或之間產(chǎn)生了排斥力。這導(dǎo)致該凝膠發(fā)生溶脹。相反地，在具有低pH的電解水溶液中，該凝膠中的酸性基團(tuán)并未離解，而是在它們之間形成了氫鍵。這導(dǎo)致凝膠收縮。
相反，具有堿性基團(tuán)的pH-響應(yīng)聚合水凝膠以相反方式工作。即，在具有高pH的電解水溶液中，在凝膠中的堿性基團(tuán)質(zhì)子化為陽離子，由此增大了親水性并在帶正電的分子中或之間產(chǎn)生了排斥力。這導(dǎo)致凝膠發(fā)生溶脹。
因此，當(dāng)使用時，將pH-響應(yīng)聚合水凝膠浸入到電解水溶液中，并在放置于其中的電極上施加約1-3V的電壓。該電壓在電解水溶液中形成了離子濃度梯度，并改變了電極周圍的pH值。該機(jī)理使得可僅在低電壓下便可控制pH-響應(yīng)聚合水凝膠的溶脹和收縮，而不需要加熱和冷卻單元、泵和儲存器。
可將如上述發(fā)生的變形用于致動器。實際上，已知從pH-響應(yīng)聚合水凝膠膜電化學(xué)產(chǎn)生彎曲位移(curved displacement)的致動器，其中所述pH-響應(yīng)聚合水凝膠膜保持在連接到電壓電源的電極之間。參見專利文獻(xiàn)1(JP-B No.Hei-7-97912)。
遺憾的是，與相似于骨骼肌的能夠線性伸展和收縮的致動器不同，彎曲位移型致動器難以應(yīng)用到機(jī)器人關(guān)節(jié)中。因此，對類似于骨骼肌的能夠線性伸展和收縮的致動器存有需求。
如果增大電極之間的距離和使凝膠更靠近一個電極，以使另個電極可更小地影響凝膠，從而可使得凝膠無彎曲地伸展(伸長)和收縮。然而，在凝膠可自由伸展和收縮的同時，非常難以將凝膠固定到一個電極的附近。
對電極施加的電壓改變了電極附近的pH。遺憾的是，施加電壓導(dǎo)致了水的電解，由于靠近陽極的氧化作用，該電解降低了OH-濃度，由此降低了pH并產(chǎn)生了氧氣，且由于靠近陰極的還原作用，該電解也降低了H+濃度，由此增大了pH并產(chǎn)生氫氣。當(dāng)增大流經(jīng)電極的電流時，可在離電極相對較遠(yuǎn)的地方發(fā)生pH改變；然而，放出(evolution)氧氣和氫氣以及水(作為用于電解液(electrolyte)的溶劑)的消耗仍提出了設(shè)計密閉致動器元件的問題。
為了解決上述問題而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供密閉高分子致動器，該致動器能夠線性伸展和收縮而沒有彎曲位移，且該致動器的重量輕并能在低電壓下操作，而沒有氣體放出和水消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及高分子致動器，其包括排列在電解水溶液中的多個凝膠/電極復(fù)合體，所述凝膠/電極復(fù)合體由至少包含酸性或堿性官能團(tuán)的高分子凝膠和放置在所述高分子凝膠中的電極組成，所述電極由能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料制成，使得當(dāng)在凝膠/電極復(fù)合體的電極之間施加電壓時，凝膠/電極復(fù)合體中的高分子凝膠在pH上發(fā)生改變，以及響應(yīng)于該pH改變，每個所述凝膠/電極復(fù)合體在體積上發(fā)生改變。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的高分子致動器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2A和2B是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的高分子致動器的示意性截面圖。它們分別顯示了在收縮狀態(tài)和伸展?fàn)顟B(tài)的高分子致動器。
圖3A和3B是顯示構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的高分子致動器的凝膠/電極復(fù)合體的示意性透視圖。它們分別顯示在伸展(伸長)狀態(tài)和收縮狀態(tài)的凝膠/電極復(fù)合體。
圖4A和4B是顯示構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的高分子致動器的凝膠/電極復(fù)合體的示意性透視圖。它們分別顯示在伸展(伸長)狀態(tài)和收縮狀態(tài)的凝膠/電極復(fù)合體。
具體實施例方式
參考相關(guān)附圖將描述根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的高分子致動器。并不能認(rèn)為下面的描述是用來限制本發(fā)明的范圍。
根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器的優(yōu)選實例是由含有帶酸性官能團(tuán)的高分子凝膠的凝膠/電極復(fù)合體的一個單元和含有帶堿性官能團(tuán)的高分子凝膠的凝膠/電極復(fù)合體的一個單元所構(gòu)成。該實例并不是用來限制本發(fā)明的范圍。圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器1的示意圖。
示于圖1中的高分子致動器1由凝膠/電極復(fù)合體4a和凝膠/電極復(fù)合體4b構(gòu)成。凝膠/電極復(fù)合體4a是由具有酸性官能團(tuán)的聚合水凝膠2a和放置于其中的電極3a組成。(以下有時稱為酸性凝膠/電極復(fù)合體。)凝膠/電極復(fù)合體4b是由具有堿性官能團(tuán)的聚合水凝膠2b和放置于其中的電極3b組成。
(以下有時稱為堿性凝膠/電極復(fù)合體。)凝膠/電極復(fù)合體4a和4b排列在密閉容器5中，該容器充滿電解水溶液6。電極3a和3b穿過容器5的末端。
順便地(incidentally)，凝膠/電極復(fù)合體4a和4b近似于彼此平行。容器5應(yīng)優(yōu)選由能夠響應(yīng)凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的體積改變而伸展和收縮的材料制成。
當(dāng)在凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的電極3a和3b之間施加電壓時，聚合水凝膠2a和2b在pH上發(fā)生改變和響應(yīng)于該pH改變，凝膠/電極復(fù)合體4a和4b在體積上發(fā)生改變。
假定電極3a和3b是由能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料制成。
由該特定材料制成的電極以下述方式運行。陽極釋放出氫以在其周圍增大H+濃度并降低pH值。陰極儲納(occlude)H+(通過還原作用)以在其周圍降低H+濃度并增大pH值。該機(jī)理使得可在聚合水凝膠2a和2b中發(fā)生pH改變，而沒有放出氣體(氧氣和氫氣)且不消耗水。
通過參考圖2A和2B，根據(jù)下面所解釋的機(jī)理，具有如上所述構(gòu)成的高分子致動器進(jìn)行伸展和收縮。
假定酸性凝膠/電極復(fù)合體4a的電極3a是陽極，和堿性凝膠/電極復(fù)合體4b的電極3b是陰極。施加在這些電極上的電壓(1-3V)降低了聚合水凝膠2a中(或在陽極3a的附近中)的pH值。隨著pH值降低，在酸性凝膠/電極復(fù)合體4a中的酸性基團(tuán)沒有離解，而是彼此形成了氫鍵，使得酸性凝膠/電極復(fù)合體4a發(fā)生收縮。相反地，施加在這些電極上的電壓(1-3V)增大了聚合水凝膠2b中(或在陰極3b的周圍中)的pH值。隨著pH值增大，在堿性凝膠/電極復(fù)合體4b中的堿性基團(tuán)沒有質(zhì)子化，而是彼此形成了氫鍵，使得所述酸性凝膠/電極復(fù)合體4b發(fā)生收縮。(圖2A)當(dāng)移走電壓或當(dāng)反轉(zhuǎn)電壓極性時，則增大了在酸性凝膠/電極復(fù)合體4a中的pH值。該pH增大導(dǎo)致酸性凝膠/電極復(fù)合體4a中的酸性基團(tuán)變成陰離子，同時酸性基團(tuán)離解出質(zhì)子，由此使得酸性凝膠更為親水和由于負(fù)電荷而增大了分子內(nèi)或分子間排斥力。結(jié)果，酸性凝膠/電極復(fù)合體4a發(fā)生伸展。另一方面，在堿性凝膠/電極復(fù)合體4b中的pH值降低。該pH降低導(dǎo)致堿性凝膠/電極復(fù)合體4b中的堿性基團(tuán)變成陽離子，同時堿性基團(tuán)質(zhì)子化，由此使得堿性基團(tuán)更為親水和由于正電荷而增大了分子內(nèi)或分子間排斥力。結(jié)果，堿性凝膠/電極復(fù)合體4b發(fā)生伸展。(見圖2B。)如上所述，根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器1具有排列在電解水溶液6中的凝膠/電極復(fù)合體4a和4b，從而當(dāng)對凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的電極3a和3b施加電壓時，凝膠/電極復(fù)合體4a和4b在體積上發(fā)生改變。因此，避免了必須使用冷卻和加熱單元、泵和儲存器，且不同于響應(yīng)溫度和離子強(qiáng)度而在體積上發(fā)生改變的常規(guī)致動器，其在重量上輕并能夠在低電壓下(比如，1-3V)進(jìn)行控制。
此外，凝膠/電極復(fù)合體4a和4b由具有酸性或堿性官能團(tuán)的聚合水凝膠2a和2b，以及排列在聚合水凝膠2a和2b中的電極3a和3b所構(gòu)成。因此，當(dāng)施加電壓時，凝膠/電極復(fù)合體4a和4b均在相同方向上進(jìn)行伸展和收縮。不同于常規(guī)的凝膠/電極復(fù)合體，如所說明的桿狀形狀的凝膠/電極復(fù)合體4a和4b發(fā)生線性伸展和收縮，而沒有彎曲位移。
凝膠/電極復(fù)合體4a和4b以這樣的方式在體積上發(fā)生改變，在該方式中聚合水凝膠2a和2b不從電極3a和3b上分離。因此，pH改變被有效地傳送到凝膠/電極復(fù)合體4a和4b上。這導(dǎo)致了有效的伸展和收縮。
凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的體積改變產(chǎn)生了大至足以驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié)(可動部件)的力。
根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器1具有凝膠/電極復(fù)合體4a和4b，其中電極3a和3b應(yīng)優(yōu)選具有容易遵從(follow)聚合水凝膠2a和2b的體積改變的形狀。例如，它們應(yīng)優(yōu)選為示于圖1-3B中的線圈狀金屬線。在該情況中，線圈通過其彈性變形遵從凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的體積改變。所述線圈狀金屬線應(yīng)優(yōu)選為細(xì)的和柔性的，以使其易于遵從所述體積改變。
在根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器中，排列在凝膠/電極復(fù)合體4a和4b中的電極3a和3b應(yīng)由能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料形成。該材料使得可在聚合水凝膠2a和2b中發(fā)生pH改變，而沒有氣體放出且無水消耗。從而得到密閉的致動器元件。
能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料沒有特別地限制；其可選自任何已知金屬、無機(jī)化合物和有機(jī)化合物，如金屬氫化物和儲氫合金(已知作為用于鎳-氫二次電池的陰極材料)。后者由于其高的儲氫量而是合適的。這些材料可單獨使用或與其他材料組合使用(以混合物或合金的形式)。
這些材料中優(yōu)選的是形成金屬氫化物的鈀(Pd)。其能電化學(xué)儲氫和釋氫，而且與其他金屬氫化物和儲氫合金相比，它對施加電壓時由于氧化作用或還原作用而引起的離解或鈍化具有更高的耐受性。其他合適的材料是涂覆有能抵抗離解和鈍化并能滲透氫的材料(如鈀)的易于離解和鈍化的儲氫合金。
電解水溶液6可為包含任何已知水溶性電解質(zhì)的水溶液。
電解質(zhì)在電解水溶液6中的濃度應(yīng)為0.01-0.5mol/dm3。當(dāng)電解質(zhì)濃度增大時，離子導(dǎo)電率增大并快速發(fā)生pH改變。然而，由于滲透壓力的差異，具有高濃度的電解水溶液6從聚合水凝膠2a和2b中吸收水。這阻止了凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的伸展。與此相比，具有低濃度的電解水溶液6不阻止凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的伸展，但其響應(yīng)可較慢。
容器5是容納電解水溶液6的容器。其也可用作將凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的位移轉(zhuǎn)變成機(jī)械功的終端。
容器5可在形狀和材料上廣泛地進(jìn)行變化；需要它能緊密地密封電解水溶液6和為柔性的以足夠允許凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的位移。其應(yīng)優(yōu)選為由聚合材料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯和碳氟樹脂的膜制成的袋狀容器。
將凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的電極3a和3b電連接到電極端7上，并從容器5中向外伸出，同時保持容器5的氣密性。
凝膠/電極復(fù)合體4a和4b具有固定在容器5上的末端，從而當(dāng)其在體積上發(fā)生改變或響應(yīng)其位移時，容器5發(fā)生伸展或收縮。
因此，容器的末端5′可固定在由機(jī)械功驅(qū)動的機(jī)械裝置(未顯示)上。
可將固定凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的容器5的末端用作電極端7。
如果容器5不是柔性的，可不將末端5′固定在容器5上，而是可沿著容器5的壁表面滑動，從而容器5遵從凝膠/電極復(fù)合體4a和4b的體積改變。
在根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器中，構(gòu)成凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠可同時包含酸性官能團(tuán)和堿性官能團(tuán)。
在該情況中，當(dāng)在凝膠/電極復(fù)合體中的電解液的pH值低時，隨著堿性基團(tuán)陽離子化，發(fā)生了伸展。當(dāng)pH值高時，隨著酸性基團(tuán)陰離子化，也發(fā)生了伸展。然而，在中性區(qū)域中，通過離子鍵，兩種離子化的官能團(tuán)形成了離子復(fù)合體，這導(dǎo)致了收縮。
在其中具有酸性官能團(tuán)的高分子和具有堿性官能團(tuán)的高分子組成了構(gòu)成凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠的情況中，也證實發(fā)生了該現(xiàn)象。
上述凝膠/電極復(fù)合體起作用，使得在中性電解液中當(dāng)電極電勢為惰性(noble)或堿性時凝膠發(fā)生伸展，和當(dāng)電極電勢回復(fù)到平衡時，凝膠發(fā)生收縮。
因此，這避免必須使用用于陰極和陽極的兩種凝膠。當(dāng)對相同結(jié)構(gòu)的凝膠/電極復(fù)合體的電極施加電壓時，凝膠/電極復(fù)合體產(chǎn)生了線性位移。
用于凝膠/電極復(fù)合體的電極可為如圖1-3B中所說明的線圈狀物體；然而，用于本發(fā)明高分子致動器的電極并不限于該線圈狀物體。其可采取能平穩(wěn)遵從高分子凝膠的體積改變的任何形狀。其實例是示于圖4A和4B中的篩網(wǎng)狀物體。如上述線圈狀物體的情況，該篩網(wǎng)狀物體也通過其彈性變形而遵從高分子凝膠的體積改變。篩網(wǎng)狀物體應(yīng)優(yōu)選由細(xì)的柔性線形成。
凝膠/電極復(fù)合體的電極并不限于上述的線圈狀物體或篩網(wǎng)狀物體；其可由與高分子凝膠相混合或分散在高分子凝膠中的任何顆粒狀或纖維狀材料形成。在該情況中，也能有效地引起pH改變，而不妨礙高分子凝膠的體積改變。
此外，凝膠/電極復(fù)合體的電極可為線圈狀或篩網(wǎng)狀物體與顆粒狀或纖維狀材料的組合。所得電極可更有效地引起pH改變。
具有酸性或堿性官能團(tuán)的構(gòu)成凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠包括具有酸性官能團(tuán)如羧酸和磺酸的高分子，和具有堿性官能團(tuán)如伯胺、仲胺和叔胺的高分子。
具有酸性官能團(tuán)的高分子實例包括丙烯酸、甲基丙烯酸、乙酸乙烯酯、馬來酸、衣康酸、乙烯基磺酸和苯乙烯磺酸(styrenesulfonic acid)的高分子。
具有堿性官能團(tuán)的高分子的實例包括亞乙基亞胺、烯丙基胺、乙烯基吡啶、賴氨酸、乙烯基苯胺、乙烯基咪唑、丙烯酸氨基乙基酯、丙烯酸甲基氨基乙基酯、丙烯酸二甲基氨基乙基酯、丙烯酸乙基氨基乙基酯、丙烯酸乙基甲基氨基乙基酯、丙烯酸二乙基氨基乙基酯、甲基丙烯酸氨基乙基酯、甲基丙烯酸甲基氨基乙基酯、甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯、甲基丙烯酸乙基氨基乙基酯、甲基丙烯酸乙基甲基氨基乙基酯、甲基丙烯酸二乙基氨基乙基酯、丙烯酸氨基丙基酯、丙烯酸甲基氨基丙基酯、丙烯酸二甲基氨基丙基酯、丙烯酸乙基氨基丙基酯、丙烯酸乙基甲基氨基丙基酯、丙烯酸二乙基氨基丙基酯、甲基丙烯酸氨基丙基酯、甲基丙烯酸甲基氨基丙基酯、甲基丙烯酸二甲基氨基丙基酯、甲基丙烯酸乙基氨基丙基酯、甲基丙烯酸乙基甲基氨基丙基酯、甲基丙烯酸二乙基氨基丙基酯、二甲基氨基乙基丙烯酰胺和二甲基氨基丙基丙烯酰胺的高分子。
如果需要，這些高分子可具有分子內(nèi)或分子間交聯(lián)或可與其他高分子進(jìn)行混合。它們也可為由不同單體組成的共聚物形式。
凝膠/電極復(fù)合體并不限于它們的數(shù)量，只要組合使用至少兩個單元即可。在其中組合使用包含酸性官能團(tuán)的高分子凝膠的一個以上凝膠/電極復(fù)合體和包含堿性官能團(tuán)的高分子凝膠的一個以上凝膠/電極復(fù)合體的情況中，前者的數(shù)量必須等于后者的數(shù)量，因為對前者施加負(fù)電壓和對后者施加正電壓。
在其中構(gòu)成凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠包含具有酸性官能團(tuán)和堿性官能團(tuán)的高分子的情況中，或在其中構(gòu)成凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠包含各自均具有酸性官能團(tuán)和堿性官能團(tuán)的高分子的混合物的情況中，凝膠/電極復(fù)合體的總數(shù)應(yīng)優(yōu)選是平均的，從而對它們的一半施加負(fù)電壓和對它們的另一半施加正電壓。
將參考下面實施例來描述本發(fā)明，其中實際制備和操作了本發(fā)明的高分子致動器。
實施例1在該實施例中，通過自由基聚合反應(yīng)，由單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑的水溶液制備了用于凝膠/電極復(fù)合體的聚合水凝膠。
用于具有酸性官能團(tuán)的高分子的單體是丙烯酸鈉。交聯(lián)劑是N，N′-亞甲基二丙烯酰胺。引發(fā)劑是過硫酸銨。水溶液(作為凝膠前體)是由單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑以100∶3∶1的摩爾比組成。
電極是鉑線(直徑10μm)的線圈(直徑1mm)。將其放置在1.5mm內(nèi)徑和30mm長的玻璃管中，并然后將其固定使得線圈的軸與玻璃管的軸相重合。
然后將玻璃管充滿凝膠前體溶液。用橡膠塞封閉其兩端，將該充滿的玻璃管在50℃下加熱，使得凝膠前體溶液進(jìn)行凝膠化。通過對玻璃管的一端施加壓力，從而卸出所得凝膠。由此得到了酸性凝膠/電極復(fù)合體(其中高分子凝膠包含酸性官能團(tuán))。
將酸性凝膠/電極復(fù)合體浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，從而其發(fā)生收縮。然后，將酸性凝膠/電極復(fù)合體浸入在硝酸鈉的水溶液(0.05mol/dm3)中。將與鉑對電極(counter electrode)和銀/氯化銀參考電極相組合的酸性凝膠/電極復(fù)合體的電勢給定為-1.0V，從而使其溶脹。
而且，以摩爾比100∶3∶1進(jìn)行混合的丙烯酸二甲基氨基甲基酯(作為用于具有堿性官能團(tuán)的高分子的單體)、N，N′-亞甲基二丙烯酰胺(作為交聯(lián)劑)和過硫酸銨(作為引發(fā)劑)的水溶液形式制備了另一凝膠前體溶液。如上述用于酸性凝膠/電極復(fù)合體的相同方式，將其制成堿性凝膠/電極復(fù)合體(其中高分子凝膠包含堿性官能團(tuán))。
將如此得到的堿性凝膠/電極復(fù)合體浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，從而使其溶脹。
將如上述制備的每個酸性凝膠/電極復(fù)合體和堿性凝膠/電極復(fù)合體放置在6mm內(nèi)徑和50mm長的管狀聚乙烯膜中，并將其一端進(jìn)行熱封閉。
通過開口端，用硝酸鈉水溶液(0.05mol/dm3)充滿該管狀聚乙烯膜，然后進(jìn)行熱封閉。順便地(incidentally)，以使得將從管狀聚乙烯膜末端伸展出的線圈固定在該聚乙烯膜中的方式進(jìn)行熱密封。
由此得到了如圖1和圖2A及2B所示構(gòu)造的高分子致動器。
通過在電極之間施加2V電壓來測試所得高分子致動器，其中酸性凝膠/電極復(fù)合體作為陽極和堿性凝膠/電極復(fù)合體作為陰極。作為用作陽極和陰極的兩種凝膠/電極復(fù)合體均發(fā)生收縮的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高分子致動器在長度上于熱密封部件之間從45mm減小到25mm。
在收縮期間，注意到從凝膠/電極復(fù)合體中沒有放出氣體。
實施例2在該實施例中，通過自由基聚合反應(yīng)，由單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑的水溶液制備了用于凝膠/電極復(fù)合體的聚合水凝膠。
用于具有酸性官能團(tuán)的高分子的單體是丙烯酸。用于具有堿性官能團(tuán)的高分子的單體是甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯。交聯(lián)劑是N，N′-亞甲基二丙烯酰胺。引發(fā)劑是過硫酸銨。水溶液(作為凝膠前體)是由酸性單體、堿性單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑以50∶50∶3∶1的摩爾比組成。
電極是鉑線(直徑10μm)的線圈(直徑1mm)。將其放置在1.5mm內(nèi)徑和30mm長的玻璃管中，并然后將其固定，使得線圈的軸與玻璃管的軸相重合。
將玻璃管充滿凝膠前體溶液。用橡膠塞封閉其兩端，將充滿的玻璃管在50℃下加熱，使得凝膠前體溶液進(jìn)行凝膠化。通過對玻璃管的一端施加壓力卸出所得凝膠。從而得到了兩性凝膠/電極復(fù)合體(其中高分子凝膠同時包含酸性官能團(tuán)和堿性官能團(tuán))。
將如此得到的兩性凝膠/電極復(fù)合體浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，從而其發(fā)生伸展。然后，將兩性凝膠/電極復(fù)合體浸入在硝酸鈉的水溶液(0.05mol/dm3)中。將與鉑對電極和銀/氯化銀參考電極相組合的兩性凝膠/電極復(fù)合體的電勢給定為-1.0V，從而使其收縮。
將兩個如此得到的兩性凝膠/電極復(fù)合體放置在6mm直徑和50mm長的管狀聚乙烯膜中，并將其一端進(jìn)行熱封閉。
由開口端，用硝酸鈉水溶液(0.05mol/dm3)充滿管狀聚乙烯膜。最后將開后端進(jìn)行熱封閉。順便地，以使得將從管狀聚乙烯膜末端伸展出的線圈固定在聚乙烯膜中的方式進(jìn)行熱密封。線圈的突出端用作電極端。
從而得到了如圖1和圖2A及2B所示的高分子致動器。
通過對電極端施加2V電壓來測試所得高分子致動器，其中凝膠/電極復(fù)合體的一個電極端作為陽極和凝膠/電極復(fù)合體的另一個電極端作為陰極。作為兩個凝膠/電極復(fù)合體伸展的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高分子致動器在長度上于熱密封部件之間從35mm增大到43mm。
在伸展期間，注意到從凝膠/電極復(fù)合體中沒有放出氣體。
實施例3除了將相當(dāng)于單體的10重量％的Pd粉加入到凝膠前體溶液中外，重復(fù)實施例1中的相同過程，以制備高分子致動器。
通過對酸性凝膠/電極復(fù)合體(作為陽極)和堿性凝膠/電極復(fù)合體(作為陰極)施加2V電壓來測試所得高分子致動器。作為兩個凝膠/電極復(fù)合體收縮的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高分子致動器于熱密封部件之間在長度上從45mm減小到31mm。收縮期間，注意到從凝膠/電極復(fù)合體中沒有放出氣體。
對比例在該實施例中，通過自由基聚合反應(yīng)，由單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑的水溶液也制備了用于凝膠/電極復(fù)合體的聚合水凝膠。
以摩爾比100∶3∶1進(jìn)行混合的丙烯酸鈉(作為用于具有堿性官能團(tuán)的高分子的單體)、N，N′-亞甲基二丙烯酰胺(作為交聯(lián)劑)和過硫酸銨(作為引發(fā)劑)的水溶液形式制備了凝膠前體溶液。
電極是鉑線(直徑10μm)的線圈(直徑1mm)。將其放置在1.5mm內(nèi)徑和30mm長的玻璃管中，并然后將其固定，使得線圈的軸與玻璃管的軸相重合。
將玻璃管充滿上述凝膠前體溶液。用橡膠塞封閉其兩端，將充滿的玻璃管在50℃下加熱，使得凝膠前體溶液進(jìn)行凝膠化。通過對玻璃管的一端施加壓力卸出所得凝膠。從而得到了酸性凝膠/電極復(fù)合體(其中高分子凝膠包含酸性官能團(tuán))。
而且，以摩爾比100∶3∶1進(jìn)行混合的甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯(作為用于具有堿性官能團(tuán)的高分子的單體)、N，N′-亞甲基二丙烯酰胺(作為交聯(lián)劑)和過硫酸銨(作為引發(fā)劑)的水溶液形式制備了另一凝膠前體溶液。
以與上述用于酸性凝膠/電極復(fù)合體的相同方式，將凝膠前體溶液制成堿性凝膠/電極復(fù)合體(其中高分子凝膠包含堿性官能團(tuán))。
將如此得到的堿性凝膠/電極復(fù)合體浸入在硝酸水溶液(0.01mol/dm3)中，從而使其溶脹。
將酸性凝膠/電極復(fù)合體和堿性凝膠/電極復(fù)合體放置于直徑6mm和50mm長的管狀聚乙烯膜中。將該管的一端進(jìn)行熱封閉。
通過開口端，用硝酸鈉水溶液(0.05mol/dm3)充滿該管。順便地，以使得將從密封的末端伸展出的線圈固定在聚乙烯膜中的方式進(jìn)行熱密封。
從而得到了如圖1和圖2A及2B所示的高分子致動器。
通過對酸性凝膠/電極復(fù)合體(作為陽極)和堿性凝膠/電極復(fù)合體(作為陰極)施加2V電壓來測試所得高分子致動器。作為兩個凝膠/電極復(fù)合體收縮的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高分子致動器于熱密封部件之間在長度上從45mm減小到41mm。
在收縮期間，注意到從凝膠/電極復(fù)合體中放出氣體。
此外，通過對酸性凝膠/電極復(fù)合體(作為陽極)和堿性凝膠/電極復(fù)合體(作為陰極)施加3V電壓來測試所得高分子致動器。發(fā)現(xiàn)高分子致動器于熱密封部件之間在長度上從41mm減小到35mm。然而，在收縮期間，注意到從凝膠/電極復(fù)合體中放出大量氣體。
從實施例1-3和對比例中可明顯地看出，由能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料制成的電極允許pH值在凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠中發(fā)生改變，而沒有氣體釋放且無水消耗，由此使得封閉致動器以穩(wěn)定方式進(jìn)行線性伸展和收縮。
工業(yè)利用根據(jù)本發(fā)明的高分子致動器包括排列在電解溶液中的多個凝膠/電極復(fù)合體，使得當(dāng)對凝膠/電極復(fù)合體的電極施加電壓時，高分子凝膠在pH上發(fā)生改變，和響應(yīng)于該pH改變，每個凝膠/電極復(fù)合體在體積上發(fā)生改變。因此，不同于常規(guī)致動器，高分子致動器避免了必須使用冷卻和加熱單元、泵和儲存器，并在重量上輕和能夠在低電壓比如1-3V下進(jìn)行控制。
此外，由于凝膠/電極復(fù)合體中的電極是由能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料制成，該致動器是工作時沒有氣體放出(由電解反應(yīng)產(chǎn)生)的密閉致動器元件的形式。
不同于常規(guī)致動器，因為每個凝膠/電極復(fù)合體是由至少包含酸性或堿性官能團(tuán)的高分子凝膠和嵌入到高分子凝膠中的電極組成，該高分子致動器能夠如骨骼肌一樣線性伸展和收縮而沒有彎曲位移。
由于在凝膠/電極復(fù)合體中的體積變化，該線性伸展和收縮可用于驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié)(可動部件)。
權(quán)利要求
1.一種高分子致動器，其包含排列在電解水溶液中的多個凝膠/電極復(fù)合體，所述凝膠/電極復(fù)合體由含有至少包含酸性或堿性官能團(tuán)的高分子的高分子凝膠和內(nèi)置于所述高分子凝膠中的電極組成，所述電極包含能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料，當(dāng)在所述凝膠/電極復(fù)合體的電極間施加電壓時，該凝膠/電極復(fù)合體中的該高分子凝膠內(nèi)部的pH發(fā)生改變，以及響應(yīng)該pH改變，每個凝膠/電極復(fù)合體在體積上發(fā)生改變。
2.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體的電極由鈀或含鈀合金制成。
3.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體的電極由涂覆有鈀的儲氫合金制成。
4.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體的電極為線圈狀或篩網(wǎng)狀物體。
5.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體的電極為混合分散在該高分子凝膠中的顆粒狀或纖維狀物體。
6.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體的電極由線圈狀或篩網(wǎng)狀物體和顆粒狀或纖維狀物體組成。
7.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其具有由含酸性官能團(tuán)的高分子凝膠形成的多于一個的凝膠/電極復(fù)合體單元，和由含堿性官能團(tuán)的高分子凝膠形成的多于一個的凝膠/電極復(fù)合體單元。
8.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體的高分子凝膠含有包含酸性官能團(tuán)的高分子和包含堿性官能團(tuán)的高分子的混合物。
9.如權(quán)利要求1中定義的高分子致動器，其中該凝膠/電極復(fù)合體排列在所述凝膠/電極復(fù)合體的周圍充滿所述電解液的容器中，且所述容器具有從其兩端伸出的電極。
10.如權(quán)利要求9中定義的高分子致動器，其中響應(yīng)于該凝膠/電極復(fù)合體在體積上的改變，所述容器能夠伸展或收縮。
全文摘要
一種在線性方向上可伸展/可收縮、重量輕且能在低電壓下工作的高分子致動器。提供了高分子致動器(1)，其包括電解質(zhì)的水溶液(6)和排列在其中的多個凝膠/電極復(fù)合體(4a，4b)，每個凝膠/電極復(fù)合體(4a，4b)由包含至少具有酸性或堿性官能團(tuán)的高分子的高分子凝膠(2a，2b)和放置于其中的含有能夠電化學(xué)儲氫和釋氫的材料的電極(3a，3b)組成，其中根據(jù)施加在多個凝膠/電極復(fù)合體(4a，4b)的電極(3a，3b)之間的電壓，該凝膠/電極復(fù)合體(4a，4b)的高分子凝膠(2a，2b)中的pH值發(fā)生改變，使得根據(jù)該pH值的改變，該凝膠/電極復(fù)合體(4a，4b)分別發(fā)生體積變化。
文檔編號H02N11/00GK1934776SQ20058000857
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者伊東秀俊, 毛塚浩一郎 申請人:索尼株式會社