CN108839009B - 光致纳米机械手 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光致纳米机械手。所述光致纳米机械手包括第一线状基体、第一二氧化钒层和夹持结构。所述第一线状基体呈螺旋状延伸并形成第一纳米螺旋管。所述第一线状基体的全部表面设置有所述第一二氧化钒层。所述夹持结构与所述第一纳米螺旋管的一端固定连接。光照下所述第二纳米螺旋管会发生围绕轴线自行收缩旋转的运动。因此所述第二纳米螺旋管可以具有手腕的旋拧功能。所述光致纳米机械手可以根据热源不同的方向和不同的强度产生不同的旋转和收缩效果，进而可以带动所述夹持结构进行不同的操做，方便灵活。

Description

光致纳米机械手

技术领域

本申请涉及纳米领域，特别是涉及一种光致纳米机械手。

背景技术

智能材料是指具有感知、响应并具有功能发现能力的新材料。智能材料及其相关器件在人工肌肉、智能皮肤、机器人和隐身等民用和军事等相关领域都有着重要应用。利用智能材料构建的机械手是能够响应外部激励并将其模拟人手运动的器件，是仿生机器人的关键部件。按照激励方式不同，驱动器可分为热致、电致、磁致、光致、湿度响应和溶剂响应，等等。相比于其它机制，光致驱动具有多方面的优势。第一，可实现远程无线操控；第二，可利用太阳光来激励；第三，可实现对不同波长的响应。因此，光致驱动成为近年来人们重点的研究方向。未来智能社会对于仿生智能机械的巨大需求为光致驱动机械的研发提供了广阔的空间和前所未有的机遇。目前，传统的光致驱动机械手的研发主要集中在宏观尺度,尺寸在微米甚至纳米尺度的光致驱动机械手还极少，且现有方案存在运动模式输出单一，灵活度差的问题，难以满足未来社会对纳米机械的需要。

发明内容

基于此，有必要针对目前缺少运动模式多样的纳米尺度的光致纳米机械手的问题，提供一种光致纳米尺度机械手。

一种光致纳米尺度机械手，包括：

第一线状基体，呈螺旋状延伸并形成第一纳米螺旋管；

第一二氧化钒层，所述第一线状基体的表面设置有所述第一二氧化钒层；

夹持结构，所述夹持结构与所述第一纳米螺旋管的一端固定连接。

在一个实施例中，所述夹持结构包括：

固定部，所述第一纳米螺旋管的一端与所述固定部固定连接；

第二线状基体，呈螺旋状延伸并形成第二纳米螺旋管，所述第二纳米螺旋管的一端与所述固定部固定连接；

夹持部，所述夹持部的一端与所述固定部固定连接；

所述第二纳米螺旋管、所述第一纳米螺旋管和所述夹持部通过所述夹持部构成Y形结构，所述第二纳米螺旋管靠近所述夹持部的所述第二线状基体的表面设置有第二二氧化钒层。

在一个实施例中，设置有所述第二二氧化钒层的所述第二线状基体的表面设置有多个第一凹坑。

在一个实施例中，所述夹持部为第三线状基体，所述第三线状基体呈螺旋状延伸并形成第三纳米螺旋管，所述第三纳米螺旋管的一端与所述固定部连接，所述第三纳米螺旋管靠近所述第二纳米螺旋管的所述第三线状基体的表面设置有第三二氧化钒层。

在一个实施例中，设置有所述第三二氧化钒层的所述第三线状基体的表面设置有多个第二凹坑。

在一个实施例中，还包括第一激光发射器，用以照射所述第一纳米螺旋管。

在一个实施例中，还包括第二激光发射器，用以照射所述第二纳米螺旋管。

在一个实施例中，所述第一二氧化钒层的厚度、所述第二二氧化钒层的厚度和所述第三二氧化钒层的厚度为50nm-150nm。

在一个实施例中，所述第一线状基体、所述第二线状基体和所述第三线状基体由碳纳米纤维制成。

在一个实施例中，所述第二纳米螺旋管和所述第三纳米螺旋管相对弯曲形成夹持空间。

本申请提供的所述光致纳米机械手，所述夹持结构可以用以夹取纳米级材料。由于所述第二二氧化钒层在所述第二纳米螺旋管的外表面设置，并且由于所述第二纳米螺旋管的螺旋结构，所述第二纳米螺旋管会发生围绕轴线自行收缩旋转的运动。因此所述第二纳米螺旋管可以具有手腕的旋拧功能。所述光致纳米机械手可以根据热源不同的方向和不同的强度产生不同的旋转和收缩效果，进而可以带动所述夹持结构进行不同的操做，方便灵活。

附图说明

图1为本申请实施例提供的光致纳米机械手示意图；

图2为本申请实施例提供的光致纳米机械手局部示意图；

图3为本申请另一个实施例提供的光致纳米机械手示意图；

图4为本申请另一个实施例提供的光致纳米机械手局部示意图；

图5为本申请实施例提供的功率密度与归一化位移示意图。

附图标记说明：

光致纳米机械手10

第一线状基体110

第一纳米螺旋管120

第一二氧化钒层130

第一凹坑131

第二凹坑132

夹持结构140

固定部141

第二线状基体150

第二二氧化钒层151

第二纳米螺旋管160

夹持部170

第三线状基体180

第三二氧化钒层181

第三纳米螺旋管190

基座200

第一激光发射器310

第二激光发射器320

具体实施方式

请参见图1，本申请实施例提供一种光致纳米机械手20。所述光致纳米机械手20包括第一线状基体110、第一二氧化钒层130和夹持结构140。所述第一线状基体110呈螺旋状延伸并形成第一纳米螺旋管120。所述第一线状基体110的全部表面设置有所述第一二氧化钒层130。所述夹持结构140与所述第一纳米螺旋管120的一端固定连接。所述第一纳米螺旋管120的另一端可以固定于所述基座200。

所述第一纳米螺旋管120的尺寸为纳米级别。所述第一纳米螺旋管120具有容易压缩、拉伸特性的特性。所述第一纳米螺旋管120还具有光-热转换特性。所述第一纳米螺旋管120还容易弯曲。所述第一纳米螺旋管120还可以为螺旋型二氧化硅纳米线、螺旋型氧化锌纳米线等。

所述第一二氧化钒层130具有极高的功密度的特性，且具有能量转换效率高，相变速度极快的优点，可以作为为微纳驱动材料。在热驱动下，二氧化钒在68℃附近经历金属-绝缘体的一级相变，并伴随着电子结构和晶格结构的变化相变时，VO₂晶格沿c_R轴收缩，产生约1％的应变，同时沿a_R和b_R轴分别膨胀0.6％和0.1％。VO₂沿c_R轴输出的功密度可达7J/cm³，这一数值比聚合物体系驱动器高1个数量级以上，比人类肌肉能够输出的功密度高3个数量级以上。即使将多晶二氧化钒薄膜作为驱动材料，功密度也可达到0.63J/cm³，仍然十分可观。且二氧化钒材料还具有很大的相对致动位移。

当所述第一二氧化钒层130受到光照时，由于所述第一二氧化钒层130具有晶格结构变化的特性，所述第一二氧化钒层130发生相变后会快速发生形变。由于所述第一纳米螺旋管120具有良好的机械特性和韧性，因此所述第一二氧化钒层130在不同位置发生的形变不同会带动所述第一纳米螺旋管120产生不同的运动模式，且耗能小。因此所述第一纳米螺旋管120具有响应速度快，相对致动位移大的特点。

在一个实施例中，可以利用磁控溅射技术制备在所述第一纳米螺旋管120的表面均匀沉积所述第一二氧化钒层130。制作所述光致驱动器10时，可以将所述第一纳米螺旋管120放入镀膜机内，通过设计旋转样品台使其能够沿圆周方向匀速旋转，可以使所述第一二氧化钒层130均匀形成于所述第一纳米螺旋管120的外表面。当所述第一二氧化钒层130受到光照后，相变收缩。由于所述第一二氧化钒层130在所述第一纳米螺旋管120的表面设置，并且由于所述第一纳米螺旋管120的螺旋结构，所述第一纳米螺旋管120会发生围绕轴线自行收缩旋转的运动。可以理解，所述述第一纳米螺旋管120会发生围绕轴线旋转的运动可以使得所述第一纳米螺旋管120被压缩，螺距变小。因此所述光致驱动器10可以具有在所述第一纳米螺旋管120的轴线方向快速收缩的功能。

本申请提供的所述光致纳米机械手10，所述夹持结构140可以用以夹取纳米级材料。由于所述第二二氧化钒层151在所述第二纳米螺旋管160的外表面设置，并且由于所述第二纳米螺旋管160的螺旋结构，所述第二纳米螺旋管160会发生围绕轴线自行收缩旋转的运动。因此所述第二纳米螺旋管160可以具有手腕的旋拧功能。所述光致纳米机械手20可以根据热源不同的方向和不同的强度产生不同的旋转和收缩效果，进而可以带动所述夹持结构140进行不同的操做，方便灵活。

在一个实施例中，所述夹持结构140包括固定部141、第二线状基体150和夹持部170。所述第一纳米螺旋管120的一端与所述固定部141固定连接。所述第二线状基体150呈螺旋状延伸并形成第二纳米螺旋管160。所述第二纳米螺旋管160的一端与所述固定部141固定连接。所述夹持部170的一端与所述固定部141固定连接。所述第二纳米螺旋管160、所述第一纳米螺旋管120和所述夹持部170构成Y形结构，所述第二纳米螺旋管160靠近所述夹持部170的所述第二线状基体150的表面设置有第二二氧化钒层151。

所述第二纳米螺旋管160可以预先生长为弯曲结构，也可以通过在所述第二纳米螺旋管160的部分表面设置二氧化钒薄膜，通过光照使所述第二纳米螺旋管160发生弯曲。所述第二线状基底可以为碳纳米纤维。所述固定部141可以为所述第二纳米螺旋管160的一端、所述夹持部170的一端和所述第一纳米螺旋管120的一端通过电子束诱导沉积非晶碳法焊接在一起的结构。

所述第二纳米螺旋管160靠近所述夹持部170的所述第二线状基体150的表面设置有第二二氧化钒层151。即所述第二纳米螺旋管160的一部分的表面设置所述第二二氧化钒层151，另一部分不设置所述第二二氧化钒层151。当所述第二二氧化钒层151受到光照后，能快速响应发生形变。而所述第二纳米螺旋管160的晶格结构基本不变。所以第二二氧化钒层151可以带动所述第二纳米螺旋管160运动。由于所述第二纳米螺旋管160的表面设置的第二二氧化钒层151不均匀，在所述截面的一侧的所述第二纳米螺旋管160由于所述第二二氧化钒层151收缩而带动整个所述第二纳米螺旋管160弯曲。并且，沿圆周方向，所述第二纳米螺旋管160会发生旋转运动。可以理解，由于所述第二纳米螺旋管160的长度远大于其螺旋直径，因此所述光致驱动器10的弯曲运动较为明显。因此所述光致驱动器10具有快速响应进行弯曲运动的特性。

在所述第二纳米螺旋管160靠近所述夹持部170的表面设置所述第三二氧化钒层181可以使所述第三二氧化钒层181在受到光照后收缩，继而带动所述第二纳米螺旋管160弯曲，所述第二纳米螺旋管160远离所述固定部141的一端靠近所述夹持部170。因此可以使用所述光致纳米机械手20夹取纳米级的物品，控制灵活方便。

请参见图2，在一个实施例中，设置有所述第二二氧化钒层151的所述第二线状基体150的表面设置有多个第一凹坑131。所述第一凹坑131能够减少所述第二纳米螺旋管160弯曲的阻力，并可以释放所述第二纳米螺旋管160弯曲时由于挤压产生的局部应力。

请参见图3，在一个实施例中，所述夹持部170为第三线状基体180。所述第三线状基体180呈螺旋状延伸并形成第三纳米螺旋管190。所述第三纳米螺旋管190的一端与所述固定部141连接。所述第三纳米螺旋管190靠近所述第二纳米螺旋管160的所述第三线状基体180的表面设置有第三二氧化钒层181。所述第二二氧化钒层151和所述第三二氧化钒层181受到光激励后会收缩，进而带动所述第二纳米螺旋管160和所述第三纳米螺旋管190相向弯曲，使得第二纳米螺旋管160和所述第三纳米螺旋管190远离所述第二固定部141的一端相互靠近，进而可以夹取物品，进一步提高了夹取物品的效率。

请参见图4，在一个实施例中，设置有所述第三二氧化钒层181的所述第三线状基体180的表面设置有多个第二凹坑132。所述第二凹坑132能够减少所述第三纳米螺旋管190的弯曲的阻力，并可以释放所述第三纳米螺旋管190弯曲时由于挤压产生的局部应力，并且能够提高所述第三纳米螺旋管190的弯曲速度。

请再参见图3，在一个实施例中，所述光致纳米机械手10还包括第一激光发射器310。所述第一激光发射器310用以照射所述第一纳米螺旋管120。在一个实施例中，所述第一激光发射器310发射的激光范围、激光强度可以调节，进而可以根据需要调节对所述第一纳米螺旋管120的照射范围和照射强度，从而可以使得所述第一纳米螺旋管120具有不同形变程度和形变速度。

在一个实施例中，所述第一激光发射器310用于照射所述第一纳米螺旋管120靠近所述固定部141的一端。所述第一激光发射器310能够给所述第一纳米螺旋管120靠近所述固定部141的一端瞬间高能，进而能使得所述第一纳米螺旋管120产生瞬间甩动的动作，可以使所述光致纳米机械手10快速摆脱异物。

在一个实施例中，所述光致纳米机械手10还包括第二激光发射器320。所述第二激光发射器320用以照射所述第二纳米螺旋管160。所述二激光发射器320发射的激光范围、激光强度可以调节，进而可以根据需要调节对所述第二纳米螺旋管160的照射范围和照射强度，从而可以控制所述第二纳米螺旋管160具有不同的夹取空间和夹取速度。

在一个实施例中，所述第二激光发射器320用于照射所述第二纳米螺旋管160远离所述固定部141的一端。因而所述第二纳米螺旋管160能够快速弯曲形成具有较大弧度的结构，因而增加了所述光致纳米机械手10的容纳空间。

在一个实施例中，所述第一二氧化钒层130的厚度、所述第二二氧化钒层151的厚度和所述第三二氧化钒层181的厚度为50nm-150nm。该厚度的所述第一二氧化钒层130、所述第二二氧化钒层151和所述第三二氧化钒层181吸收光能的速率快，且较为均匀，相变速率趋于一致，因此可以提高所述第一二氧化钒层130不同部位发生形变的一致性。

在一个实施例中，所述第一线状基体110、所述第二线状基体150和所述第三线状基体180由碳纳米纤维制成。碳纳米纤维材料具有优异的光-热转换特性与聚合物高热膨胀系数的特性。所述碳纳米纤维材料可以将能量快速传导给所述第一二氧化钒层130和所述第二二氧化钒层151，进一步提高所述第一二氧化钒层130的响应速度。

请参见图5，在一个实施例中，采用二氧化钒和碳纳米纤维构成的光致驱动器10的功耗仅为950-1400mW/cm²，比VO₂/Cr光致驱动器10低4个数量级以上。

请参见表1，在一个实施例中，采用二氧化钒和碳纳米纤维构成的光致驱动器10的响应速度为9400Hz，对应响应时间为106μs。与其它类型光致驱动器10相比，VO₂/CNC具有最短的响应时间。

表1.不同种类驱动器响应时间比较

并且，二氧化钒和碳纳米纤维构成的光致驱动器10驱动器在被驱动超过1千万次后驱动性能仍然没有出现任何衰减。

在一个实施例中，二氧化钒和碳纳米纤维构成的光致驱动器10具有更大的相对致动位移。相对致动位移的定义为驱动器的位移与其自身长度之比，更大的相对致动位移意味着驱动器能够以较小的体型产生较大的输出。二氧化钒和碳纳米纤维构成的光致驱动器10其致动位移与其自身长度之比为0.277。

在一个实施例中，还提供了光致驱动器10的制备方法：

S10，采用化学气相沉积法制备碳纳米纤维。制备所述碳纳米纤维时，可以采用氩气100-300scmm，10-50sccm乙炔气体，在纳米铁-锡合金颗粒作为催化剂的调节下反应。反应时间可以为10-120min，生长温度可以为600-800℃。在一个实施例中，碳纳米纤维的制备条件为230sccm氩气，30scmm乙炔气体，使用纳米铁-锡合金颗粒作为催化剂进行反应，反应时间30min。反应温度700℃。在上述条件下，可制备出大量超纯度碳纳米纤维。

S20，在显微探针台下，将碳纳米纤维转移至二氧化硅基底上。

S30利用磁控溅射法，在碳纳米纤维上表面沉积二氧化钒薄膜。制作所述第一二氧化钒层130时，可以采用40-49sccm氩气和10-1sccm氧气，溅射压强0.5-0.6Pa，溅射功率30-60W，溅射时间10-60min。在完成溅射后，样品会放入炉子中退火，典型的退火条件为低压氧气退火(氧气压强1-4×10^-2mbar)，温度450-500℃，退火时间10-20min。在一个实施例中，可以采用49.7sccm氩气和0.3sccm氧气,溅射压强0.55Pa，溅射功率60W，溅射时间30min的工艺条件。在完成溅射后，样品会放入炉子中退火。在一个实施例中，可以用低压氧气退火(氧气压强3×10^-2mbar)，温度450℃，退火时间10min。

S40,在显微探针台下，将单根碳纳米纤维转移至二氧化硅、钨探针等基底上即完成典型VO₂/CNC光致驱动器10的制备。

在一个实施例中，所述第二纳米螺旋管160和所述第三纳米螺旋管190相向弯曲形成夹持空间。即所述第二纳米螺旋管160和所述第三纳米螺旋管190预先设置为弯曲结构。所述第二纳米螺旋管160和所述第三纳米螺旋管190相向弯曲设置可以扩大所述光致纳米机械手20夹取物体的体积，提供工作效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种光致纳米机械手，其特征在于，包括：

第一线状基体(110)，呈螺旋状延伸并形成第一纳米螺旋管(120)；

第一二氧化钒层(130)，所述第一线状基体(110)的表面设置有所述第一二氧化钒层(130)；

夹持结构(140)，所述夹持结构(140)与所述第一纳米螺旋管(120)的一端固定连接；

所述夹持结构(140)包括：

固定部(141)，所述第一纳米螺旋管(120)的一端与所述固定部(141)固定连接；

第二线状基体(150)，呈螺旋状延伸并形成第二纳米螺旋管(160)，所述第二纳米螺旋管(160)的一端与所述固定部(141)固定连接；

夹持部(170)，所述夹持部(170)的一端与所述固定部(141)固定连接，所述第二纳米螺旋管(160)、所述第一纳米螺旋管(120)和所述夹持部(170)通过所述夹持部(170)构成Y形结构，所述第二纳米螺旋管(160)靠近所述夹持部(170)的所述第二线状基体(150)的表面设置有第二二氧化钒层(151)。

2.如权利要求1所述的光致纳米机械手，其特征在于，设置有所述第二二氧化钒层(151)的所述第二线状基体(150)的表面设置有多个第一凹坑(131)。

3.如权利要求1所述的光致纳米机械手，其特征在于，所述夹持部(170)为第三线状基体(180)，所述第三线状基体(180)呈螺旋状延伸并形成第三纳米螺旋管(190)，所述第三纳米螺旋管(190)的一端与所述固定部(141)连接，所述第三纳米螺旋管(190)靠近所述第二纳米螺旋管(160)的所述第三线状基体(180)的表面设置有第三二氧化钒层(181)。

4.如权利要求3所述的光致纳米机械手，设置有所述第三二氧化钒层(181)的所述第三线状基体(180)的表面设置有多个第二凹坑(132)。

5.如权利要求1所述的光致纳米机械手，其特征在于，还包括第一激光发射器(310)，用以照射所述第一纳米螺旋管(120)。

6.如权利要求5所述的光致纳米机械手，其特征在于，还包括第二激光发射器(320)，用以照射所述第二纳米螺旋管(160)。

7.如权利要求3所述的光致纳米机械手，其特征在于，所述第一二氧化钒层(130)的厚度、所述第二二氧化钒层(151)的厚度和所述第三二氧化钒层(181)的厚度为50nm-150nm。

8.如权利要求7所述的光致纳米机械手，其特征在于，所述第一线状基体(110)、所述第二线状基体(150)和所述第三线状基体(180)由碳纳米纤维制成。

9.如权利要求8所述的光致纳米机械手，其特征在于，所述第二纳米螺旋管(160)和所述第三纳米螺旋管(190)相对弯曲形成夹持空间。

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