人工肌肉作动器的制备及其视觉测控系统研究

　　0　引言

　　人工肌肉是在电场、浓度、温度、pH值、磁场、光强等多种因素作用下能产生显著变形的新概念功能材料[1-2]。在各种人工肌肉中，电致动聚合物(EAP)是一类在外电场诱导下通过改变内部结构产生弯曲、伸缩、束紧、扭变或膨胀等机械行为，从而实现牵引、紧固等机械功能的高分子聚合物，因其致动量大、响应快、机电转换效率高而倍受研究者关注[3]。通电即产生变形的EAP有离子型和电子型等两大类，每一类都具有与另一类互补的优势与不足。在各种离子型EAP中，最具代 表性的是金 属与离子型聚合物的合成物(ionic　polymer-tal　composite，IPMC)，这种材料的电致动特性建立在其内部带电水合阳离子扩散运动基础上，在较低电压(小于10V)作用时，它就可产生明显弯曲变形，且有质轻、柔韧的特点，在航空航天、仿生、软性机械致动器、智能传感器、医疗器件等方面具有广阔应用前景。IPMC已成为精密致动领域内的研究热点[4-5]。然而，IPMC作为一类新型高分子功能材料，目国内外针对它的研究，总体上处于探索阶段，其技术还远未成熟。迄今为止，国内外甚至连一个稍微规范一点的IPMC制备方法都尚未制订出来，更谈不上 对 其 做 深 入 的 应 用 研 究[6]。为 此，开 展IPMC制备的基础研究，探索IPMC的精密测控技术，构成了IPMC研究的重要方面。在此背景下，本文致力于IPMC制备技术的研究，进而探索其机电特性及控技术。

　　1　IPMC溶液成膜制备

　　1.1基体膜制备[6]

　　取50mL体积分数为5%的Nafion溶液放入烧杯，利用加热、加压蒸发法将溶液浓缩至15mL。为保证膜质地均匀、膜表面不出现裂缝，需往烧杯中添加一定量的二甲基亚砜溶液，并将其置于超声振荡器中振荡10min，使溶液混合均匀并去除溶液中的气泡，然后再用滴管将混合液小心滴加到烘箱内的模具中。为保证膜厚均匀，需校准模底的水平度。在70℃恒温条件下将模具内溶液加热4h，就会在模具内形成一层较厚的膜。考虑到此时膜中存在一定残余应力，故需进行去应力热处理：将模具放在140℃烘箱中保持2h，接着关掉电源，待模具完全冷却后将其从烘箱中取出，再向模具内注热水以便将膜从膜具内取出。采取此法制备的膜厚为0.5mm。

　　1.2表面粗化

　　基体膜表面必须附着金属薄层电极才能对其施加电场。为使电极与膜间产生足够的附着强度，必须增大电极与基体膜之间的微观接触面积[7]。为此，需用细砂打磨膜表面，使膜成大量微观凸凹结构。打磨后的表面残留有大量的硬质颗粒、屑质，其存在直接影响制备成败，为此需用超声清洗法将其去除，再将膜分别放入双氧水和硫酸溶液中加热以除去附着污物，加热温度宜在60～70℃之间。此后，将膜放入去离子水中多次漂洗，以去除膜中非功能性离子。最后，在通风、阴凉环境中将膜晾干。