基于丝素蛋白的多响应性软体致动器、制备和调控方法与流程

1.本发明涉及一种软体致动器的设计与制备，具体是涉及了一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器及制备方法。


背景技术：

2.可以将外部刺激转换为机械运动的软致动器在许多前沿应用中具有巨大潜力，例如软机器人，人造肌肉，仿生运动和物体抓取等。由光、电、磁、热、湿度及等不同刺激驱动的各种软致动器已被广泛报道。开发高性能软体致动器的关键在于刺激响应性材料的研制。高效的刺激响应性材料需要具有可逆的大幅度变形能力、高输出功率密度以及对微小能量输入的灵敏响应，目前仍然是一大挑战，需要从内在机制入手对材料结构进行针对性设计。
3.生物材料由于具有可调节的多层组装结构，为大幅度的可编程变形提供丰富的位点，在构建高性能软体致动器方面有巨大的优势，如蜘蛛丝在高湿度刺激下的超收缩性。这一特性为刺激响应材料和软体致动器的设计提供了启发，但该收缩性是不可逆的，且纤维材料在某些使用场景中受到很大的限制。如何基于仿生思维构建具有可逆变形能力的高效二维薄膜刺激响应材料及软体致动器，对于实际应用具有更大的意义，而这一点却在很大程度上被忽视了。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器及制备方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一、一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器：
7.所述的软体致动器包括丝素蛋白膜和柔性基底，丝素蛋白膜置于柔性基底之上并紧密结合构成双层膜结构。
8.所述的丝素蛋白膜和柔性基底的热膨胀系数显著不同。
9.所述的丝素蛋白膜的热膨胀系数为负值，且与柔性基底的热膨胀系数有较大差异。
10.差异使得致动器能够工作的话就可以，但差异越大致动器的变形幅度也会越大，本发明中所列举的实施例中实际使用的材料体系，丝素蛋白膜的热膨胀系数为-800～-1200ppm k-1
，柔性基底热膨胀系数为40-200ppm k-1
，即热膨胀系数差异在800ppm k-1
以上。
11.二、一种多响应性软体致动器的制备方法：
12.所述的软体致动器采用以下方式制备：
13.柔性基底用等离子处理，随后在柔性基底上刮涂丝素蛋白湿膜，经干燥得到丝素蛋白膜，并与柔性基底构成双层膜；
14.将双层膜置于水中浸泡0.1-20min后干燥；
15.将干燥后双层膜中的丝素蛋白膜整体或局部浸泡在0.5-3wt％的氯化钙水溶液中
一段时间0.1-20min后取出再干燥得到软体致动器。
16.所述丝素蛋白湿膜含有丝素蛋白和甲酸。
17.进一步地，本发明所述丝素蛋白湿膜还含有和氯化钙。
18.所述的丝素蛋白湿膜是取1.3g脱胶蚕丝溶于3-5wt％的氯化钙-甲酸溶液中、然后放置于超声波清洗机中振荡得到丝素蛋白溶液、最后将丝素蛋白溶液刮涂在柔性基底上形成。
19.进一步地，本发明所述丝素蛋白湿膜还含有光热转化材料。
20.具体地，所述的氯化钙-甲酸溶液含有光热转化染料，染料采用为罗丹明b但不限于此。
21.进一步地，本发明所述软体致动器在丝素蛋白膜或柔性基底上设有加热电极以进行电加热致驱动。
22.进一步地，本发明所述柔性基底的材料为pet、pi或pe。
23.进一步地，本发明所述丝素蛋白湿膜的厚度为0.1-200μm。
24.进一步地，本发明所述柔性基底的厚度为10-100μm。
25.三、多响应性软体致动器的调控方法：
26.对所述软体致动器进行加热，使得丝素蛋白膜和柔性基底产生不同的热变形，使得双层膜结构向丝素蛋白膜所在的一侧弯曲变形。
27.其中通过在制备过程中调整干燥后双层膜中的丝素蛋白膜是否浸泡在氯化钙水溶液中或者所浸泡的氯化钙水溶液中的浓度，进而调控多响应性软体致动器的变形角度、幅度和形态。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.(1)丝素蛋白膜具有巨大的负热膨胀性，可在温度升高时发生收缩，引起致动器向丝素蛋白膜一侧弯曲，具有更大的变形角度；
30.(2)所述的软体致动器变形机理为非晶区的分子链构象可逆变化，不涉及晶型和二级结构间的转化，可由微小的能量输入驱动，能耗低，并具有更好的可逆性；
31.(3)所述的软体致动器变形能力可通过氯化钙浓度调节，实现不同区域变形的可重复编程性；
32.(4)所述的软体致动器具有多刺激响应性，可由光、电、热、湿度场驱动。
附图说明
33.图1是双层膜结构的软体致动器结构示意图。
34.图2为本发明软体致动器的变形状态图。
35.图3为不同浓度的氯化钙水溶液中浸泡得到的软体致动器在不同温度下的变形曲率。
36.图4为柔丝素蛋白膜上设有加热电极的软体致动器结构示意图。
37.图5为柔性基底上设有加热电极的软体致动器结构示意图。
38.图6为软体致动器的不同区域在不同电加热功率下的变形曲率图。
39.图7为软体致动器在光刺激下的变形图。
40.图中，1-丝素蛋白膜，2-柔性基底，3-加热电极。
具体实施方式
41.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
42.本发明的实施例如下：
43.实施例1：
44.配置浓度为3wt％的氯化钙-甲酸溶液，取1.3g脱胶蚕丝溶于6.8ml上述溶液中，放置于超声波清洗机中振荡1h，得到丝素蛋白溶液。
45.采用厚度为30μm的洁净pi作为柔性基底2，等离子体处理2min。使用厚度为200μm的四面制备器，刮涂涂覆蚕丝蛋白湿膜，干燥后得到包括丝素蛋白膜1和柔性基底2的双层膜，如图1所示。将双层膜分别不做浸泡、全部浸泡在1wt％氯化钙水溶液中1min并氮气吹干、全部浸泡在2wt％氯化钙水溶液中1min并氮气吹干、全部浸泡在3wt％氯化钙水溶液中1min并氮气吹干，得到不同变形能力的软体致动器。
46.该致动器工作时，将软体致动器整体置于100℃的热台上，由于丝素蛋白膜1热膨胀系数为负，在温度上升时发生热致收缩，而pi柔性基底2热膨胀系数为正，在温度上升时发生热致膨胀，导致软体致动器的双层膜结构向丝素蛋白膜1一侧弯曲，如图2所示。关闭热台后致动器温度慢慢降低，并回复到初始形态。弯曲曲率可由热台温度调控，且经过不同浓度氯化钙水溶液浸泡后得到的软体致动器展现出不同的弯曲曲率，如图3所示。浸泡用的氯化钙水溶液浓度越高，软体致动器的弯曲曲率越大，表明本发明所述基于丝素蛋白的软体致动器的变形性能可通过氯化钙浓度进行有效调节。
47.实施例2：
48.配置浓度为4.8wt％的氯化钙-甲酸溶液，取1.3g脱胶蚕丝溶于6.8ml上述溶液中，放置于超声波清洗机中振荡1h，得到丝素蛋白溶液。
49.采用厚度为50μm的洁净pet作为柔性基底2，等离子体处理2min。使用厚度为100μm的四面制备器，刮涂涂覆蚕丝蛋白湿膜，将干燥后的薄膜在水中冲洗5min，干燥后得到包括丝素蛋白膜1和柔性基底2的双层膜，如图1所示。将双层膜全部浸泡在2wt％氯化钙水溶液中1min，氮气吹干。利用丝网印刷在双层膜的丝素蛋白膜1一侧印刷银加热电极3，并切割成所需尺寸，得到软体致动器，如图4所示。
50.该致动器工作时，加热电极3连接直流电源。在一定功率下，加热电极3会产生焦耳热，并使软体致动器整体温度上升，由于丝素蛋白膜1热膨胀系数为负，在温度上升时发生热致收缩，而pet柔性基底2热膨胀系数为正，在温度上升时发生热致膨胀，导致软体致动器的双层膜结构向丝素蛋白膜1一侧弯曲，弯曲曲率可由电功率调控。关闭电源后致动器回复到初始形态。
51.实施例3：
52.配置浓度为4.8wt％的氯化钙-甲酸溶液，取1.3g脱胶蚕丝溶于6.8ml上述溶液中，放置于超声波清洗机中振荡1h，得到丝素蛋白溶液。
53.采用厚度为100μm的洁净pe作为柔性基底2，等离子体处理2min。使用厚度为200μm的四面制备器，刮涂涂覆蚕丝蛋白湿膜，将干燥后的薄膜在水中冲洗5min，干燥后得到包括丝素蛋白膜1和柔性基底2的双层膜，如图1所示。将双层膜的二分之一浸泡在2wt％氯化钙水溶液中1min，氮气吹干。利用丝网印刷在双层膜的柔性基底2一侧印刷银加热电极3，并切割成所需尺寸，得到软体致动器，如图5所示。
54.该致动器工作时，加热电极3连接直流电源。在一定功率下，加热电极3会产生焦耳热，并使软体致动器整体温度上升，由于丝素蛋白膜1热膨胀系数为负，在温度上升时发生热致收缩，而pe柔性基底2热膨胀系数为正，在温度上升时发生热致膨胀，导致软体致动器的双层膜结构向丝素蛋白膜1一侧弯曲，关闭电源后致动器回复到初始形态。由于不同氯化钙含量的丝素蛋白膜1具有不同的热膨胀系数，经2wt％氯化钙溶液浸泡过的区域弯曲曲率比未经氯化钙溶液浸泡的区域更大，且不同区域的弯曲曲率均可由电功率调控，在低至0.02w的加热功率下，即可产生55m-1
的弯曲曲率，如图6所示。该结果表明所述的软体致动器具有很低的能耗，且变形能力可通过氯化钙浓度调节，并实现不同区域变形的编程性。
55.实施例4：
56.配置浓度为3wt％的氯化钙-甲酸溶液，并在其中加入染料罗丹明b，浓度为100mg/l。取1.3g脱胶蚕丝溶于6.8ml上述溶液中，放置于超声波清洗机中振荡1h，得到含有光热转化染料的丝素蛋白溶液。
57.采用厚度为50μm的洁净pet作为柔性基底2，等离子体处理2min。使用厚度为100μm的四面制备器，刮涂涂覆蚕丝蛋白湿膜，干燥后得到包括丝素蛋白膜1和柔性基底2的双层膜。将双层膜样品分别不做浸泡、全部浸泡在2wt％氯化钙水溶液中1min并氮气吹干、一半浸泡在2wt％氯化钙水溶液中1min并氮气吹干，得到不同变形能力的软体致动器。
58.该致动器工作时，用红外灯照射软体致动器，在罗丹明b的光热效应下，软体致动器整体温度上升，由于丝素蛋白膜1热膨胀系数为负，在温度上升时发生热致收缩，而pet柔性基底2热膨胀系数为正，在温度上升时发生热致膨胀，导致软体致动器的双层膜结构向丝素蛋白膜1一侧弯曲。关闭光源后致动器慢慢回复到初始形态。经2wt％氯化钙溶液浸泡过的致动器或致动器区域弯曲曲率比未经氯化钙溶液浸泡的样品或区域更大，如图7所示。该结果表明所述的软体致动器变形能力可通过氯化钙浓度调节，并实现不同区域变形的编程性。
59.实施例5：
60.配置浓度为3wt％的氯化钙-甲酸溶液，取1.3g脱胶蚕丝溶于6.8ml上述溶液中，放置于超声波清洗机中振荡1h，得到丝素蛋白溶液。
61.采用厚度为30μm的洁净pet作为柔性基底2，等离子体处理2min。使用厚度为80μm的四面制备器，刮涂涂覆蚕丝蛋白湿膜，干燥后得到包括丝素蛋白膜1和柔性基底2的双层膜结构软体致动器，如图1所示。
62.该致动器工作时，将软体致动器整体置于尼龙筛网上，并在尼龙筛网下放置盛有水的水槽，使软体致动器处于高湿度环境中，由于丝素蛋白膜1吸水膨胀，而pet柔性基底2几乎不吸水，导致软体致动器的双层膜结构向柔性基底2一侧弯曲。远离湿度源后致动器回复到初始形态。

技术特征：
1.一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器，其特征在于：所述的软体致动器包括丝素蛋白膜和柔性基底，丝素蛋白膜置于柔性基底之上并紧密结合构成双层膜结构。2.根据权利要求1所述的一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器，其特征在于：所述的丝素蛋白膜和柔性基底的热膨胀系数不同。3.根据权利要求1所述的一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器，其特征在于：所述的丝素蛋白膜的热膨胀系数为负值。4.应用于权利要求1-3任一所述多响应性软体致动器的制备方法，其特征在于：所述的软体致动器采用以下方式制备：柔性基底用等离子处理，随后在柔性基底上刮涂丝素蛋白湿膜，经干燥得到丝素蛋白膜，并与柔性基底构成双层膜；将双层膜置于水中浸泡后干燥；将干燥后双层膜中的丝素蛋白膜整体或局部浸泡在氯化钙水溶液中一段时间后取出再干燥得到软体致动器。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述丝素蛋白湿膜含有丝素蛋白和甲酸。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述丝素蛋白湿膜还含有和氯化钙。7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述丝素蛋白湿膜还含有光热转化材料。8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述软体致动器在丝素蛋白膜或柔性基底上设有加热电极以进行电加热致驱动。9.应用于权利要求1-3任一所述多响应性软体致动器或者权利要求4-8任一所述制备方法制成的多响应性软体致动器的调控方法，其特征在于：对所述软体致动器进行加热，使得丝素蛋白膜和柔性基底产生不同的热变形，使得双层膜结构向丝素蛋白膜所在的一侧弯曲变形。10.根据权利要求9所述的调控方法，其特征在于：其中通过在制备过程中调整干燥后双层膜中的丝素蛋白膜是否浸泡在氯化钙水溶液中或者所浸泡的氯化钙水溶液中的浓度，进而调控多响应性软体致动器的变形角度、幅度和形态。

技术总结
本发明公开了一种基于丝素蛋白的多响应性软体致动器及制备方法。软体致动器包括丝素蛋白膜和柔性基底，丝素蛋白膜置于柔性基底之上并紧密结合构成双层膜结构，丝素蛋白膜和柔性基底的热膨胀系数不同；软体致动器制备方法为：柔性基底用等离子处理，随后在柔性基底上刮涂丝素蛋白湿膜，经干燥得到丝素蛋白膜，并与柔性基底构成双层膜，将双层膜置于水中浸泡后干燥，将干燥后双层膜中的丝素蛋白膜整体或局部浸泡在氯化钙水溶液后取出再干燥得到。本发明的软体致动器变形可由微小的能量输入驱动，能耗低，并具有更好的可逆性，具有更大的变形角度，实现不同区域变形的可重复编程性，具有多刺激响应性。有多刺激响应性。有多刺激响应性。


技术研发人员：肖建亮 刘海涛 张磊 王珊
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/4