前言

导电聚合物（Conducting polymers）是一种极具发展潜力的复合材料，其是具有高分子特性、导电及一定力学性能的智能材料^[1]。导电聚合物是第四代新型材料，它其具备响应、传感、反馈及自适应等功能特性，因此成为现代高技术先进材料研究的重要研究点之一^[2-3]。其中，最具有代表性的导电聚合物有聚吡咯型、聚苯胺型和聚噻吩型。聚吡咯型导电聚合物则因导电性及柔韧性较好和有一定生物相容性的性能特性，广泛的在仿生机器人及生物医学设备中得到广泛应用。

其中，在聚吡咯导电聚合物应用于仿生软体机械手的研究较多。如Shahinpoor等人^[4]设计研制了一款IPMC型手爪装置，该装置主要部件为4个手指，该手指是采用IPMC人工肌肉制成，只需施加适当的电压，即可控制仿生机械手进行夹钳动作。Dcole^[5]研究制备了一款抓取重物的微型IPMC手爪，其性能能达到5v电压下抓取长度1mm的柔性物体。国内研究者同样也研制了相关的仿生机械手，如香港大学的YANG等^[6]将形状记忆聚合物和气动柔性驱动器相结合，从而创新的研制了一款变刚度的气动抓手。南京航空航天大学的彭瀚旻^[7]则采用IPMC材料研制一款三指微型柔性手爪，其总重量为1.033 g，其性能能抓取重为1.973 g物体。文以聚吡咯（PPy）型导电聚合物为驱动材料，设计、研制了一款结构简单、能耗低的仿生三指柔性抓取装置，并对该抓取装置进行重物抓取的力学性能测试试验，以期为后续其他研究者进行导电聚合物制动器的仿生柔性抓取装置设计提供数据参考。

1导电聚合物及其驱动器简介

1.1导电聚合物简介

随着仿生机器人和智能机电系统需求的增加，导电聚合物这一种新兴材料备受关注。特别是在微型化和智能化机械系统方面，人工肌肉作为关键驱动装置备受关注。仿生材料作为新材料研究的重要领域，强调“师法自然”，从中汲取灵感以推动创新。然而，导电聚合物驱动器的应用还面临诸多挑战，无论是导电聚合物驱动器的稳定性方面，还是在宏观、微观尺度下的多层结构驱动器制造方面，例如尺寸参数和加工工艺的优化需进一步深入研究。

1.2 聚吡咯型导电聚合物驱动器简介

本文进行仿生柔性抓取装置研究的基础为导电聚合物驱动器，本文的导电聚合物驱动器结构如图1所示。该导电聚合物驱动器结构分为三层，其中具有电活性的聚吡咯（PPy）层两层，非导电多孔隙聚偏氟乙烯（PVDF）层一层。聚吡咯（PPy）的层厚为30 μm，其主要是用来使溶液中离子进行交换。非导电多孔隙聚偏氟乙烯层厚为110 μm，其则主要是起到储存电解液(Li+TFSI−)的作用。同时，PVDF层的两侧还需镀上很薄的金层，主要利用离子注入技术进行，其厚度为10～100 Å；其主要作为两个电极使用，使驱动器的导电性和刚度得到提高。其主要驱动过程为：对电极夹两端施加电压，此时内部就会发生氧化还原反应，从而使驱动器内部的离子发生迁移。这将会使正极的PPy层发生氧化而膨胀，负极的PPy层发生还原而收缩。这样就会使驱动器朝向电源的负极方向发生弯曲变形，这就实现了电化学能转为机械能。如多个驱动器协同，则可形成仿生的机械抓取装置。

图1 驱动器结构图

2 仿生柔性抓取装置结构设计

根据前面对驱动器的原理分析及多驱动器协同的抓取装置设计理念，本文设计并制作一款两指型的微型抓取机构，如图2所示。该两指型的微型抓取机构主要组成部分为：支撑架、电极夹及驱动器薄膜。主要执行部分为两组相同的聚吡咯型导电聚合物驱动器，其中电极夹主要用于装夹驱动器薄膜及连接电源正负极。电解液中的离子类型和浓度对驱动器的自由端偏转位移有显著影响。考虑TFSI⁻离子有一定的亲水性，且能带动水合水分子向阳极移动（迁移过程中）。因此，本文驱动器中的电解液选择的是，含双三氟甲基磺酰亚胺锂(Li⁺TFSI^-)（0.5 mol/L）的碳酸丙烯酯（PC）溶液。

图2 两指型的微型抓取机构

3 性能测试

使用研制的两指型仿生柔性抓取装置进行重物抓取试验。驱动器工作重量是指其浸入电解液后的重量，仿生柔性抓取装置的两片驱动器参数见表1。其中，试样1和试样2是指抓取装置的两个驱动器薄膜的编号。使用电子天平（FA1104N）对夹持装置含支撑架、导线和电极夹的总重量进行称量，测试得到质量为8.3636 g。被抓取目标重物（白色泡沫）的质量为0.0111 g。

为计算驱动器的平均弯曲速度，本文基于驱动器（不同长度）的偏转位移图，采用插值法计算，结果如图3所示。从计算结果可看出随电压增加，驱动器的弯曲速度会逐渐增加；在电压超过0.9 V后，速度基本保持稳定，达到最大值。在1.0 V电压下，驱动器的偏转位移达到长度的一半，表现出最佳的弯曲效果，因此选用1.0 V作为抓取实验的驱动电压。

表1 驱动器结构参数

图3 输入电压与弯曲速度

两指型仿生柔性抓取装置在1.0 V交变电压驱动下进行目标物抓取工作，其过程图4。两指型仿生柔性抓取装置的工作周期为：张开—闭合—张开。具体从图4的各分图可看出，图4a为抓取装置向外侧张开；图4b为抓取装置向内侧闭合至初始位置；图4c为抓取装置闭合至稳定状态；图4d为抓取装置向外侧张开；图4e为抓取装置抓取物体悬空图。

图4 两指型仿生柔性抓取装置抓取运动过程图

对驱动器施加1.0 V电压，分别测试两指型仿生柔性抓取装置的两片驱动器薄膜，对其进行运动分析。从而得到了驱动器自由端偏转位移曲线图（见图6）和速度变化曲线图（见图7）。根据图6和图7显示，试样1表现出较好的弯曲运动特性，其正向和反向的最大偏转位移分别为4.2 mm和5.11 mm，总变形量达到9.31 mm。

图6 运动时间与弯曲位移     图7 运动时间与弯曲速度

根据试验数据显示，在电压方向发生改变时，驱动器的偏转位移量和弯曲速度均均达到最大值；随着驱动器自由端偏转到最远位置，其弯曲速度逐渐减慢并趋向于零。可以假设驱动器的弯曲运动经历了从初始的弹性形变到最终的粘弹性形变，整个过程表现为柔性弯曲。由于薄膜具有良好的柔韧性，因此在抓取过程中不会损坏物体表面材料。

4 结论

本文利用聚吡咯（PPy）型导电聚合物具备的优异特性，设计、研制了一款两指微型抓取制动器。该抓取装置性能稳定，在向其驱动器在施加1.0 V电压时，其偏转速度趋于稳定，这一条件下，最大变形量为9.31 mm，最大弯曲速度为0.35 mm/s，可实现稳定抓取重为0.0111 g的目标物。

参考文献

[1] Rahim Mutlu, Gursel Alici. Artificial muscles with adjustable stiffness [J].Smart Materials and Structures,2010,19(4): 45004-45013.

[2] Chuc Huu Nguyen, Gursel Alici, Gordon G Wallace. Modelling trilayer conjugated polymer actuators for their sensorless position control [J]. Sensors and Actuators A,2012,185: 82-91．

[3] Alici G. An effective modelling approach to estimate nonlinear bending behaviour of cantilever type conducting polymer actuators [J]. Sensors and Actuators B, 2009,141:284-292．

[4] Lumia R, Shahinpoor M. Microgripper design using electro-active polymers [J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering. 1999, 3669: 322-329.

[5] Dcole U, Lumia R, Shahinpoor M. Grasping flexible objects using artificial muscle microgrippers. Seville, Spain: TSI Press, 2004: 191-196.

[6] CHEN Y，WEI Y，LI Y.Novel Design and three-dimensional printing of variable stiffness robotic grippers[J].Journal of Mechanisms and Robotics-Transactions of the ASME，2016, 8(6)：061010.

[7] 彭瀚旻，丁庆军，李华峰, 等. IPMC型柔顺手爪作动器的设计与性能测试[J].光学精密工程，2010,18(4):899-905.

作者信息：陈金友，男（1986.10—）汉族，湖南省耒阳市，博士研究生，副教授，研究方向：智能材料制备及驱动控制。

基金项目：湖南省自然科学基金项目《基于聚吡咯导电聚合物驱动的仿生柔性抓取装置设计及其力学性能研究》（项目编号：2021JJ60012）