本发明属于软体致动器，具体涉及一种温度-电压双控制的hasel软体致动器及其制备方法。
背景技术：
1、目前，人类制造的大部分机械零件都是刚性零件，在所有制造的机械结构中，刚性零件仍占据主导地位，具有操作精度高、响应速度快、强度高等特点，适合在大规模工业生产中使用。刚性部件在精细结构部件中的应用受到顺应性和弹性的限制。而在自然界中，生物体由柔性部件组成，可以完成大量精细工作。例如人类的肌肉纤维、昆虫和软体动物，它们经常被用作研究软体致动器的模型。目前，软体致动器的主要类型有电热致动器、流体致动器、介质弹性体致动器(dea)和液压放大自修复静电致动器(hasel)。电热致动器利用电流产生的焦耳热使材料收缩或膨胀，热传导效率低，导致致动器响应速度低，而且加热和冷却材料的周期时间限制了致动器的使用。流体致动器是最普遍的致动器，需要控制中空通道中的流体压力来实现致动，流体致动器具有很高的灵活性，但需要泵、管道和阀门这些复杂的结构，因此其驱动速度慢、效率低。介质弹性体致动器(dea)是利用麦克斯韦应力使材料产生厚度方向的收缩、平面方向的膨胀，利用这种变形特性可以做出三维方向的运动和弯曲运动，但介质弹性体致动器需要预先拉伸以保证其工作时的机电稳定性，因此需要刚性框架来保持介质弹性体致动器的预先拉伸，由于弹性体的缺陷处会发生电击穿，从而限制了介质弹性体致动器的使用。液压放大自修复静电致动器(hasel)结合了流体致动器和介质弹性体致动器的优点，利用流体压力和静电力实现弯曲、收缩和膨胀。
2、能够储存能量、收集能量和驱动的智能材料是电子设备、软驱动和可穿戴设备的重要组成部分。开发这类材料的策略是选择聚合物作为柔性基体，通过混合无机填料形成复合材料，并同时具备聚合物的柔性和无机填料的电热性能，但这种策略中无机填料的高负载率会导致聚合物柔性下降。相比之下，低熔点液态金属例如镓基液态金属(lm)在室温下呈液态，是制备柔性复合材料的绝佳填料。
3、在现有技术中，已有研究者在软体致动器中通过添加镓基液态金属(lm)以实现温度控制的软体致动器，例如中国发明专利“一种基于液态金属的3d打印柔性机器人的制备方法”(清华大学，cn108642360a)公开了一种基于液态金属的热控柔性机器人的制备方法，先将ecoflex a胶和b胶混合均匀；然后取低熔点液态金属放入混合后的ecoflex胶中快速搅拌，混合均匀后，再取低沸点液体加入其中搅拌，直到低沸点液体完全混入其中，最后通过3d打印技术打印成相应形状，即得到柔性可膨胀材料，柔性可膨胀材料驱动部位内设有电热丝，之后将电热丝两端连接上加热电源，将其他部位用ecoflex胶封装成需要的形状，即得到热控柔性机器人；启动加热开关，热控柔性机器人驱动部位加热膨胀从而产生变形和运动，停止加热，热控柔性机器人快速恢复成原来形状。
4、但是在上述现有技术中，通常选择将镓基液态金属(lm)作为一种柔性导热基料或主料与聚合物共混，虽然镓基液态金属(lm)作为一种可随聚合物变形而变形的流体，具有比无机填料更好的顺应性，但其成本远较聚合物基体提高，难以真正应用于产业化中；且其对热敏感性强的缘故，通常难以在非稳定温度环境中维持固定的形态。
技术实现思路
1、本发明根据上述背景技术中公开的现状，提供了一种温度-电压双控制的hasel软体致动器及其制备方法，该hasel软体致动器通过将适当比例的低熔点液态金属作为高介电常数填料，并利用聚己内酯作为“温度开关”，在高电压驱动应变基础上使得该hasel软体致动器在达到一定温度条件下可致动，而未达到该温度条件下不能致动维持固定的形态。这为今后hasel软体致动器的进一步拓展应用范围及研究提供了新的途径。
2、为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。
3、在一方面，本发明提供了一种温度-电压双控制的hasel软体致动器，其主要是由柔性高介电常数聚合物复合层分别作为上下层，由聚己内酯层作为中间夹层的夹心结构；
4、所述柔性高介电常数聚合物复合层的厚度为0.4～1.0mm且与聚己内酯层的厚度比为1：(2.5～6.25)；
5、所述柔性高介电常数聚合物复合层是由低熔点液态金属作为填料，与柔性聚合物基体混合制备得到，其中低熔点液态金属的添加量为柔性聚合物基体质量的5～30wt％；其中，柔性聚合物基体的介电常数不低于3；
6、所述聚己内酯层是由聚己内酯构成。
7、在本文中，所述低熔点液态金属为公知常识中呈现液态的市售金属原材料，例如镓基液态金属、铟基液态金属或铋基液态金属，以及上述金属的合金液态金属。
8、在其中一种技术方案中，所述低熔点液态金属优选为共晶镓铟合金(egain)、共晶镓铟锡合金(egainsn)、共晶铋铟合金(ebiin)其中任意一种。
9、在本文中，所述柔性聚合物基体为本技术领域中所常规使用的柔性聚合物选择，其应具有一定的柔性以适于致动，例如硅橡胶、丙烯酸酯、热塑性聚氨酯弹性体等。需说明的是，基于本发明的致动原理，所述柔性聚合物基体的选择应不具有限制，在本领域现有技术中所常规使用的柔性聚合物皆可用于本发明。
10、为了更好地说明本发明，并提供一种可供参考的技术方案，在实验室条件下为方便对本发明所述温度-电压双控制的hasel软体致动器进行测试，所述柔性聚合物基体优选包括双组份加成型硅橡胶ecoflex00-30、ecoflex00-10、ecoflex00-20其中任意一种。
11、在本文中，所述聚己内酯层是由聚己内酯构成，其聚己内酯的具体选择，本领域技术人员可根据“温度开关”所需具体温度，依据聚己内酯熔点温度参数选择适宜的聚己内酯市售化工级原料。
12、在其中一种技术方案中，为防止该hasel软体致动器在达到一定温度条件下致动过程中，液态聚己内酯的流出，影响其重复使用性，可选择在所述柔性高介电常数聚合物复合层分别作为上下层的边缘相互粘接，构成将聚己内酯层封闭在其中的形状。更为优选地，所述粘接可以是采用与所述柔性高介电常数聚合物复合层中所使用的柔性聚合物基体作为粘接剂。
13、在本文中，所述柔性高介电常数聚合物复合层是由低熔点液态金属作为填料，与柔性聚合物基体混合制备得到，其中低熔点液态金属的质量占比为5～30wt％，其制备方式为常规的柔性聚合物基体与填料混合制备方式，其具体制备方式可根据所选择的具体柔性聚合物基体以及低熔点液态金属，依照化工领域公知常识进行，例如当所述柔性聚合物基体选择为双组份加成型硅橡胶ecoflex00-30(包含a、b组份)时，在充分混合分散低熔点液态金属后，依照该柔性聚合物基体的说明书进行固化制备得到柔性高介电常数聚合物复合层。
14、在其中一种技术方案中，当所述柔性聚合物基体选择为双组份加成型类聚合物或多组份类聚合物时，为了提高低熔点液态金属于柔性聚合物基体中的分散性，低熔点液态金属与柔性聚合物基体混合方式，可以是将低熔点液态金属分别加入至不同组份聚合物基体中进行混合。
15、上述技术方案给出所述温度-电压双控制的hasel软体致动器的构成，相信本领域技术人员通过上述技术方案内容能够制备得到与本发明一致的hasel软体致动器，但为了更好地说明本发明，下述将提供一种优选的制备方法，但注意的是，下述中的制备方法并不意味着对上述温度-电压双控制的hasel软体致动器的制备进行限定。
16、另一方面，本发明还提供了一种温度-电压双控制的hasel软体致动器的制备方法，其主要包括以下步骤：
17、(1)将低熔点液态金属与分散剂利用超声处理形成分散均匀的混合液，然后加入至柔性聚合物基体中混合，成型制备得到柔性高介电常数聚合物复合片；
18、其中低熔点液态金属的添加量为柔性聚合物基体质量的5～30wt％，柔性聚合物基体的介电常数不低于3；
19、(2)将两片步骤(1)所得柔性高介电常数聚合物复合片进行重叠，并于两片之间置入一个垫片，将两片柔性高介电常数聚合物复合片的边缘相互粘接，并留有垫片的取出口；
20、然后将垫片取出，并利用垫片的取出口向其中注入液态聚己内酯，注入完后，将该取出口同样进行粘接，以使得液态聚己内酯封存于两片柔性高介电常数聚合物复合片之间，待液态聚己内酯自然冷却形成聚己内酯片，即制备得到温度-电压双控制的hasel软体致动器；
21、所述柔性高介电常数聚合物复合片的厚度为0.4～1mm且与所构成的聚己内酯片的厚度比为1：(2.5～6.25)。
22、在上述制备方法中，步骤(2)中所述液态聚己内酯为将固态聚已内酯通过加热达到熔点以上时所转变为的液态聚己内酯，例如将聚己内酯通过70～80℃水浴加热的方式得到液态聚己内酯。
23、在上述制备方法中，步骤(1)中所述成型制备得到柔性高介电常数聚合物复合片，为依据柔性聚合物基体的具体选择，参照常规工艺方式进行成型，例如当柔性聚合物基体选择为双组份加成型硅橡胶时，是采用常规浇注于模具中固化成型的方式。
24、在上述制备方法中，步骤(1)中所述分散剂为使得低熔点液态金属在与柔性聚合物基体混合后能够更均匀分散，所述分散剂的选择为适用于与低熔点液态金属共混形成分散均匀的混合液的常规选择，例如水、乙醇。为方便使用，所述低熔点液态金属与分散剂的体积比为1：(25～100)。
25、在上述制备方法中，所述低熔点液态金属优选为共晶镓铟合金(egain)、共晶镓铟锡合金(egainsn)、共晶铋铟合金(ebiin)其中任意一种，是因为在超声处理过程中，其会自发形成氧化镓(ga2o3)薄膜，进一步提升制备所得hasel软体致动器的击穿强度。
26、在上述制备方法中，为方便对最终制备所得温度-电压双控制的hasel软体致动器进行致动，在其中一种技术方案中，还包括在制备所得温度-电压双控制的hasel软体致动器的外表面涂覆一层导电油脂层，所述导电油脂为常规市售导电油脂。
27、本发明的主要发明点在于，一方面将低熔点液态金属作为填料而非主料或基料，在本发明中起到了关键性作用，它不仅能提高聚合物基体的介电常数，还能让聚合物保持原有的机械性能并大幅降低了软体致动器的成本；另一方面，将低熔点液态金属作为填料制备所得hasel软体致动器的线性驱动性能、比功率均相较于纯聚合物得到明显提升，同时聚己内酯也赋予了致动器自愈性能。在实际实施例中，通过引入聚己内酯相变材料，让致动器在55℃具有温度开关，即高温下能致动，低温下不能致动。
28、本发明具有如下有益效果：
29、1、本发明所提供的一种温度-电压双控制的hasel软体致动器及其制备方法，选择将低熔点液态金属作为填料，利用其能够提高聚合物基体介电常数特性，从而实现电压控制致动，这为低熔点液态金属在软体致动器中的作用提供了一条新的途径。
30、2、本发明所提供的一种温度-电压双控制的hasel软体致动器及其制备方法，仅需利用添加少量比例的低熔点液态金属，相较于现有技术中利用低熔点液态金属的软体致动器大幅降低了材料成本。
31、3、本发明所提供的一种温度-电压双控制的hasel软体致动器及其制备方法，首次提出利用聚己内酯的低熔点液固态转变作为温度开关，使得该hasel软体致动器在聚己内酯熔点以上温度环境下能够致动，而在聚己内酯熔点以下温度环境中无法致动。
1.一种温度-电压双控制的hasel软体致动器，其特征在于其主要是由柔性高介电常数聚合物复合层分别作为上下层，由聚己内酯层作为中间夹层的夹心结构；
2.根据权利要求1所述hasel软体致动器，其特征在于：所述低熔点液态金属为共晶镓铟合金、共晶镓铟锡合金、共晶铋铟合金其中任意一种。
3.根据权利要求1所述hasel软体致动器，其特征在于：所述柔性聚合物基体选择包括双组份加成型硅橡胶ecoflex00-30、ecoflex00-10、ecoflex00-20其中任意一种。
4.根据权利要求1所述hasel软体致动器，其特征在于：在所述柔性高介电常数聚合物复合层分别作为上下层的边缘相互粘接，构成将聚己内酯层封闭在其中的形状。
5.根据权利要求1所述hasel软体致动器，其特征在于其制备方法主要包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述hasel软体致动器，其特征在于：所述低熔点液态金属与分散剂的体积比为1：(25～100)。
7.根据权利要求5所述hasel软体致动器，其特征在于：所述低熔点液态金属为共晶镓铟合金、共晶镓铟锡合金、共晶铋铟合金其中任意一种。
8.根据权利要求5所述hasel软体致动器，其特征在于：还包括在制备所得温度-电压双控制的hasel软体致动器的外表面涂覆一层导电油脂层。
