一种基于IPMC电致动材料的LED灯控制开关电路

设计了一种基于离子聚合物金属复合物IPMC电致动材料的LED灯控制开关电路,采用化学镀的方法制备了IPMC,采用3D增材打印制造了驱动装置的整体结构,并对驱动装置内部电路进行了设计。通过驱动装置驱动IPMC的变形,成功控制了LED灯的闭合与断开,验证了该控制电路的可行性。

具有梯度结构的三维IPMC的制备及表征

离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composite,IPMC)是一种离子型电活性聚合物,具有驱动电压低、位移变形量大、反应迅速和质量轻等优点,作为新型的电致动材料具有广阔的应用前景。但是现有的IPMC电致动材料存在输出力小和非水工作时间短的缺点。通过制备厚度上具有梯度变化的三维IPMC来提高IPMC的驱动性能;采用不易电解挥发、稳定性较好的乙二醇作为IPMC的工作介质,延长IPMC的非水工作时间。研究结果表明,在相同幅值的正弦交流电压下,具有一定梯度结构的IPMC能够显著提高其形变位移和输出力,幅值为3.5V时,形变位移和输出力较相同质量厚度的平面型IPMC分别提升了7.0%和47.9%;用乙二醇置换水作为工作介质的平面型IPMC,其非水工作时间得到大幅提升,从150s延长至300s。IPMC电机械输出性能的提升和非水工作时间的延长对于IPMC在驱动领域的进一步应用开发具有重要意义。

植物叶表面微米级结构表征

本文对金丝桃、银杏、韭菜、箭竹四种植物叶片的表面形貌及微观结构特征进行了研究,分析了四种不同植物叶片表面的形貌特征,并通过采用典型数学模型曲线对表面微观结构的几何特征进行拟合的方法,获得其结构特点。正弦函数对金丝桃叶、银杏叶和韭菜叶表面的微观结构截面轮廓的拟合度最高;对于箭竹叶表面的微观结构,高斯函数对其拟合度最高,但正弦函数对其也有较高的拟合度。因此,结合表面形貌及微观结构的几何特点,本文认为正弦函数对金丝桃叶、银杏叶和韭菜叶表面微观结构的描述最佳,而高斯函数对箭竹叶表面微观结构的描述最佳。相关研究成果将为生物表面尤其是植物表面的研究和仿生应用研究提供一定指导。

基于滑动势能面的二维材料原子尺度摩擦行为的量化计算

近年来,二维材料优异的摩擦特性成为人们关注的焦点,然而目前缺乏理论上对其摩擦力进行快速、有效、精确的计算预测方法.本文提出采用密度泛函理论计算真实体系的滑动势能面,利用得到的"数值型势能面"替代传统的解析势函数,并结合Prandtl-Tomlinson模型,量化求解具有复杂形状势能面的真实二维材料体系的摩擦行为.基于该方法,揭示了原子力显微镜实验中观察到的石墨烯Moire纹超晶格结构的双周期"黏-滑"摩擦现象;理论预测了二维材料异质结构的层间超低摩擦现象,相对于同质材料,其静摩擦力和滑动摩擦力均成数量级降低,发现势能面起伏和驱动弹簧刚度均会影响层间相对滑动路径,进而对层间的摩擦行为产生影响.该方法同样可拓展到其他van der Waals作用主导的界面摩擦体系.

碳纤维增强树脂基复合材料在低温条件下的微动摩擦磨损性能

在FTM200型摩擦磨损试验机上,以PH13-8Mo不锈钢为配副件,采用正交试验方法在低温-45,-20℃以及室温条件下探讨了法向载荷、微动频率和微动振幅及试验时间对碳纤维增强环氧树脂基复合材料微动摩擦磨损性能的影响.结果表明,法向载荷、微动频率和振幅、试验时间以及温度对摩擦系数的影响均非常显著.在-45℃时,复合材料的摩擦系数均高于室温时的摩擦系数.法向载荷和温度对复合材料磨损量的影响显著.在相同的温度下,复合材料磨损量随法向载荷的增大而增加;在相同的法向载荷下,-45℃时,复合材料的磨损量较室温时的大,其磨损区域萌生出较多的微动裂纹,疲劳剥落现象较明显,其微动磨损机制以疲劳磨损为主;而在室温下,其磨损表面主要为表面树脂的刮痕以及少量的微动裂纹,其微动磨损机制为磨粒磨损.

基于手臂表面肌电信号的智能小车控制系统

研究一种基于手臂表面肌电信号的智能小车控制系统。当左臂做出曲臂、左勾、右勾、自然下垂四种动作时,小车将完成前进、左转、右转、停止四种运动状态。手臂表面肌电信号采集模块通过三个单通道肌电信号传感器采集左臂四种动作下的肌电信号并进行预处理;在信号识别及指令编码模块对肌电信号进行分类识别,识别出手臂的不同动作,并编码出对应的控制指令。通过无线传输模块把控制指令传输给智能小车控制模块;智能小车控制模块根据控制指令驱动电机转动,从而实现对小车运动状态的调控。实验证明,本智能小车控制系统信号识别率高,延迟小。

碳纳米管阵列及其增强高分子复合材料在真空和高温环境下的黏附性能

掌握空间环境下的干黏附技术将极大增强我国载人航天、在轨服务、对非合作目标的作业能力.空间环境众多复杂的影响因素对黏附材料在航天器件上的应用提出更加严格的性能要求.通过模拟空间环境中的两种影响因素:真空及高温,并对碳纳米管阵列(CNT)及其增强聚二甲基硅氧烷(PDMS/CNT)在此环境下的摩擦黏附-脱附规律、黏附强度进行研究和验证,为CNT作为空间用干黏附材料的进一步修饰和改性提供试验和理论依据.试验结果表明在真空环境下,CNT,PDMS/CNT的摩擦黏附-脱附规律与大气环境中保持一致,PDMS/CNT的摩擦黏附力有所提升,CNT的摩擦黏附力则不受影响,在真空环境下两种材料都具有良好的黏附可重复性.在热真空环境下CNT,PDMS/CNT都能维持在大气中法向和切向黏附强度.该研究表明在真空及热真空环境下,CNT及其增强高分子复合材料能够保持其原有的黏附规律及黏附强度,为CNT干黏附材料在空间环境下的应用奠定了试验基础.

壁虎在不同粗糙度的竖直表面的黏附

壁虎的脚掌上具有脚爪和刚毛两种附着器官,两种器官具有不同的附着机制,二者协同作用使壁虎具有在任意粗糙度的竖直墙面和天花板上自如运动与附着的能力.将壁虎脚掌上的脚爪去除后,放置在14种不同粗糙度的竖直的砂纸表面,以研究壁虎仅依靠刚毛时的附着能力.研究结果表明,仅仅依靠刚毛附着时,壁虎在各类砂纸表面的滑移速度、内收速度等存在差异性.滑移速度随着砂纸表面上颗粒直径与间距比值增大而减小,表面粗糙度并不是影响黏附性能的直接原因,其黏附性能由刚毛尖端末梢与砂纸表面的接触面积决定.研究壁虎脚掌刚毛在不同粗糙度的竖直表面的黏附性能,可以为设计基于仿壁虎刚毛黏附的爬壁机器人提供参考.

干黏附碳纳米管垂直阵列的转移及其黏附性能评价

碳纳米管垂直阵列(VACNTs)具有高长径比、优异的力学性能,在仿壁虎干黏附材料领域具有广阔的应用前景.但适合其生长的硅基底本身硬脆以及阵列与生长基底结合力较弱是制约VACNTs在干黏附材料中应用发展的主要问题.本文提出一种简单高效的转移方法,将VACNTs转移至柔韧的聚碳酸酯(PC)基底,再进行切向黏附性能测试,并从顶部形貌结构与石墨化程度两方面分析切向黏附强度测试结果.对转移工艺进行优化以后,VACNTs与PC之间形成较强结合力,底端转移和顶端转移后获得2种不同的顶部结构.黏附性能测试结果表明,VACNTs切向黏附强度均随法向预载荷增加而增大,当施加16N/cm2的预载荷时,底端转移VACNTs的切向黏附强度约5 N/cm2,顶端转移VACNTs的切向黏附强度约2.8 N/cm2.该转移方法具有普遍适用性,不受转移阵列面积的限制,转移后的黏附材料整体柔韧性提高,为VACNTs作为仿壁虎干黏附材料的应用创造了有利条件.

四足动物的运动行为和力学

运动是动物捕食、逃逸和繁殖的基础。动物的地面运动主要包括直立运动姿态和匍匐运动姿态两类。介绍了马、大象等动物的运动行为和力学规律,以大鼠为对象,研究了四足动物在受到外部冲击时的平衡调节机制和运动行为,即动物能够根据环境的变化在运动的过程中做出步态的调节。研究结果能够加深对动物的运动协调机制的理解,为四足机器人的仿生设计提供重要的指导意义。