扭轉和纏繞聚合物驅動器的力學和物理

Conceitos essenciais

提出了一種新的尼龍扭轉和纏繞聚合物驅動器(TCPA)的驅動機制:扭轉在至少有兩個相的材料中儲存大量應變能量,當受到刺激時可以釋放為驅動功。

Resumo

本研究提出了一種新的尼龍扭轉和纏繞聚合物驅動器(TCPA)的驅動機制。

首先,研究團隊提出了一種基於Kirchhoff桿理論和雙相微結構的數學模型,能夠準確預測TCPA製造後的平衡螺旋形狀,並解釋所觀察到的驅動收縮機制。

模型的第一個關鍵是將尼龍視為一個能夠儲存應變能量並在兩相之間交換的熱力學微結構系統,這一點通過對扭轉驅動的尼龍纖維的扭轉驅動響應進行表征而得到驗證。

模型的第二個關鍵是使用經典的Kirchhoff桿理論,並添加必要的項來耦合彎曲和扭轉能量。與實驗的驗證表明,該模型能夠捕捉TCPA在主動和被動狀態下的平衡和縱向剛度,以及外載荷下的驅動收縮。重要的是,該模型量化了儲能水平對驅動性能的影響。

這些概念可以推廣到其他類型的TCPA,並可能有助於新材料的設計。

Estatísticas

尼龍纖維在室溫下扭轉可達60%的表面應變。
尼龍TCPA在加熱時可提供大的收縮力和行程。
尼龍TCPA在加熱時會發生明顯的軟化。

Citações

"扭轉在至少有兩個相的材料中儲存大量應變能量,當受到刺激時可以釋放為驅動功。"
"該模型能夠捕捉TCPA在主動和被動狀態下的平衡和縱向剛度,以及外載荷下的驅動收縮。"
"該模型量化了儲能水平對驅動性能的影響。"

Principais Insights Extraídos De

The mechanics and physics of twisted and coiled polymer actuators

by Qiong Wang, ... às arxiv.org 10-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.00802.pdf

Perguntas Mais Profundas

如何利用其他類型的材料(如形狀記憶聚合物、液晶彈性體等)來設計具有更優異驅動性能的TCPA?

在設計具有更優異驅動性能的扭曲和捲曲聚合物驅動器（TCPA）時，可以考慮使用形狀記憶聚合物（SMP）和液晶彈性體（LCE）等材料。這些材料具有獨特的熱響應特性，能夠在特定的溫度範圍內實現顯著的形狀變化。形狀記憶聚合物能夠在加熱時恢復到預先設計的形狀，這使得它們在驅動應用中非常有用。通過將SMP與TCPA結合，可以利用其在加熱過程中儲存和釋放的彈性能量，進一步增強驅動性能。
液晶彈性體則提供了更高的可調性和靈活性，因為它們的分子結構可以在不同的環境條件下改變其物理性質。這使得LCE在驅動應用中能夠實現更快的響應速度和更大的變形範圍。通過將這些材料的特性整合到TCPA的設計中，可以開發出更高效、更靈活的驅動器，從而擴展其在機器人技術和生物醫學設備中的應用潛力。

現有的基於膨脹機制的TCPA模型是否能夠解釋自由端驅動的現象?它們與本文提出的基於儲能機制的模型有何不同?

現有的基於膨脹機制的TCPA模型主要集中在纖維的徑向膨脹和隨之而來的扭轉釋放上，這些模型通常假設纖維的內部扭轉變化與幾何形狀的變化相等。然而，這些模型在解釋自由端驅動現象時存在一定的局限性，因為它們未能充分考慮到內部儲存的彈性能量和材料微結構的影響。
相比之下，本文提出的基於儲能機制的模型強調了在製造過程中儲存的彈性能量如何影響驅動性能。這一模型考慮了扭轉和彎曲之間的耦合效應，並將TCPA視為一個在平衡狀態下的彈性系統，當外部條件改變時，系統的平衡會被打破，從而釋放儲存的能量以實現驅動。因此，基於儲能機制的模型能夠更全面地解釋自由端驅動的現象，並提供更準確的預測。

TCPA的驅動機制是否可以應用於其他領域,如柔性機器人、生物醫學等?

TCPA的驅動機制具有廣泛的應用潛力，特別是在柔性機器人和生物醫學領域。由於TCPA能夠模仿自然肌肉的收縮行為，這使得它們在柔性機器人中可以用作高效的驅動器，實現靈活的運動和操作。此外，TCPA的輕量化和低成本特性使其在可穿戴設備和健康輔助裝置中具有良好的應用前景。
在生物醫學領域，TCPA可以用於開發新型的醫療器械，如可調整的支架、假肢和生物兼容的驅動裝置。這些應用可以利用TCPA的可控收縮和擴張特性，實現對生物組織的精確操控和支持。因此，TCPA的驅動機制不僅限於機器人技術，還可以在多個領域中發揮重要作用，推動相關技術的發展。