可編碼執行器及其控制方法和微機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于執行機械動作的執行器，更具體地，涉及可編碼執行器及其控制方法和微機器人。
【背景技術】
[0002]執行器(actuator)是接收控制信息并且對受控對象施加控制作用的系統。執行器可以對外部的刺激(如光、熱、電壓、電流、流體壓力、氣體壓力等)產生機械動作。現有的執行器一般通過電流或壓力的刺激執行動作。例如，電磁閥作為電致器，在電流的控制下實現閥的開關動作。近年來，光執行器也獲得了越來越多的關注。光執行器的核心元件在光照射下發生可逆的彎曲和/或伸縮，從而可以用作馬達、栗、行走裝置等。
[0003]在一種現有的光執行器中，光致動器的核心元件為液晶高分子材料。在光照射下，液晶分子的取向發生改變，光致動器的變形為彎曲。在另一種現有的光執行器中，光致動器的核心元件為液晶高分子材料和碳納米管組成的網絡。在光照射下，碳納米管吸收光并轉化成熱能，從而誘導熱敏液晶高分子的相變，光致動器的變形為收縮。上述現有的光致動器靈敏度低且容易受到環境光的干擾誤動作。
[0004]作為進一步改進的光致動器的核心元件為聚合物和單壁碳納米管的雙層結構。該單壁碳納米管僅僅響應特定波長，在光照射下發生快速的溫升，在沒有光照射時發生快速的溫度降低。由于光致熱效應，雙層結構發生彎折。該光致動器由于響應特定波長的光而提高了抗干擾性。
[0005]然而，上述光致動器只能提供單一形式的動作以及實現單一的功能，例如，作為閥的執行部件。為了實現微機器人的行走裝置的復雜運動，期望光致動器可以根據控制光產生復雜形式的動作。

【發明內容】

[0006]本發明提出一種基于選擇性光機材料的可編碼執行器及其控制方法和微機器人。
[0007]根據本發明的一方面，提供一種可編碼執行器，用于響應所述多個波長的光照射產生至少一個機械動作，所述可編碼執行器包括:聚合物層；以及位于聚合物層的多個區域中的多組碳納米管，其中，所述多組碳納米管分別響應不同特定波長的光照射，使得所述聚合物層發生局部的變形，從而產生所述至少一個機械動作。
[0008]優選地，所述多組碳納米管分別為位于所述聚合物的表面上的多個碳納米管層。
[0009]優選地，所述多組碳納米管分別分散在所述聚合物層層中的多個區域中。
[0010]優選地，所述聚合物層為聚碳酸酯薄膜。
[0011]優選地，所述多組碳納米管的不同組碳納米管的手性彼此不同。
[0012]優選地，所述聚合物層形成中空柱體。
[0013]優選地，所述多組碳納米管包括第一組和第二組碳納米管，并且第一組和第二組碳納米管沿柱體的軸向分布且彼此隔開。
[0014]優選地，所述多組碳納米管包括第一組至第四組碳納米管，并且第一組至第四組碳納米管沿柱體的圓周方向分布且彼此隔開。
[0015]優選地，所述多組碳納米管包括第一組至第四組碳納米管，并且第一組碳納米管和第二組碳納米管沿柱體的軸向分布且彼此隔開，第三組碳納米管和第四組碳納米管沿柱體的軸向分布且彼此隔開，第一組碳納米管和第三組碳納米管沿柱體的圓周方向分布且彼此隔開，第二組碳納米管和第四組碳納米管沿柱體的圓周方向分布且彼此隔開。
[0016]優選地，所述聚合物層的熱膨脹系數是所述多組碳納米管的熱膨脹系數的幾倍或十倍以上。
[0017]優選地，所述至少一個機械動作包括選自行走、停止、彎曲、伸直、旋轉中的至少一種。
[0018]優選地，所述多個碳納米管層的厚度為0.02微米至2微米，所述聚合物層的厚度為I微米至100微米。
[0019]根據本發明的另一方面，提供一種微機器人，包括運動模塊，所述運動模塊包括由上述的可編碼執行器，用于產生所述微機器人的運動；以及設置在所述運動模塊上的至少一個操作模塊，所述操作模塊包括由上述的可編碼執行器，用于產生所述微機器人的機械動作。
[0020]根據本發明的又一方面，提供一種可編碼執行器的控制方法，所述可編碼執行器包括:聚合物層；以及位于聚合物層的多個區域中的多組碳納米管，所述方法包括:采用多個波長的光照射所述多組碳納米管，其中，所述多組碳納米管分別響應不同波長的光照射，使得所述聚合物層發生局部的變形，從而產生至少一個機械動作。
[0021]優選地，設置所述多個波長的光的照射順序，使得所述聚合物層的所述多個區域依次發生變形，從而產生所述至少一個機械動作。
[0022]優選地，所述變形包括選自所述聚合物層的彎曲、延伸和收縮中的至少一種，所述至少一個機械動作包括選自行走、停止、彎曲、伸直、旋轉中的至少一種。
[0023]根據本發明的實施例的可編碼執行器利用不同波長的光調節聚合物層的不同區域，從而可以產生復雜形式的動作。
[0024]與已有的光機執行器相比，本發明提出的基于選擇性光機材料的可編碼執行器具有以下的優勢:不受光波長限制可以實現亞光波長尺度上的復雜微小機械動作；可完成復雜動作，基本動作通過入射不同波長的光，復雜動作通過入射不同的波長光組合；不需要考慮入射光的朝向；各個執行模塊可以任意組合，完成多種復雜動作功能的集成。
【附圖說明】
[0025]通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中:
[0026]圖1示出單一手性碳納米管的光吸收譜；
[0027]圖2示出本發明的第一實施例的可編碼執行器的結構圖；
[0028]圖3a和3b示出本發明的第一實施例的可編碼執行器的工作示意圖；
[0029]圖4示出本發明的第二實施例的可編碼執行器的結構圖；
[0030]圖5a和5b示出本發明的第二實施例的可編碼執行器的工作示意圖；
[0031]圖6a_6c示出本發明的第三實施例的可編碼執行器的結構圖和工作示意圖；
[0032]圖7示出本發明的第四實施例的微機器人的結構圖。
【具體實施方式】
[0033]在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細敘述。本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。
[0034]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0035]碳納米管具有優異的機械和電學性能，而且在紅外區域具有很好的吸收特性。圖1示出了單一手性碳納米管的光吸收譜。如圖1所示，不同手性結構的碳納米管只對特定波長的光具有吸收性。手性結構為(6，4)的碳納米管在近紅外區域的吸收峰對應的波長為877納米。手性結構為(6，5)的碳納米管在近紅外區域的吸收峰對應的波長為983納米，手性結構為(7，5)的碳納米管在近紅外區域的吸收峰對應的波長為1020納米，手性結構為(7,6)的碳納米管在近紅外區域的吸收峰對應的波長為1122納米。
[0036]將碳納米管層設置在聚碳酸酯薄膜上組成雙層薄膜，在紅外光的照射下，碳納米管可以吸收紅外光并將其轉化為熱能，碳納米管的熱膨脹系數小于4ppm/K，聚碳酸酯薄膜的熱膨脹系數約為65ppm/K，從而誘導聚碳酸酯薄膜產生可逆的形變。當去除紅外光后，聚碳酸酯薄膜可以恢復到照射前狀態。
[0037]本發明提出的可編碼執行器和微機器人利用聚碳酸酯薄膜的形變可以轉變為各種復雜的機械動作。輸入光信號的光源可以是激光器、發光二極管等。
[0038]以下基于實施例對本發明進行描述，但是本發明并不僅僅限于這些實施例。
[0039]第一實施例
[0040]圖2示出本發明的第一實施例的可編碼執行器的結構圖，其中在左側示出沒有光照射時的結構，右側示出光照射時的結構。第一實施例的可編碼執行器100包括聚合物層101，第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204。
[0041]聚合物層101例如為10微米厚的聚碳酸酯薄膜圍成的中空圓柱。第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204平行等間距設置在聚合物層101的外表面。第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204的厚度分別為I微米。
[0042]選擇不同手性的碳納米管，使得第一碳納米管層201、第二碳納米管層202、第三碳納米管層203以及第四碳納米管層204的光吸收波長分別為λ?、λ 2、λ 3、λ 4，其中λ 1、λ 2、λ 3、λ 4彼此不同。
[0043]圖3a和3b示出本發明的第一實施例的可編碼執行器100的工作示意圖。
[0044]如圖3a所示，當波長為λ 4的光照射可編碼執行器100時，第四碳納米管層204吸收入射光，第一至第三碳納米管層不吸收入射光。第四碳納米管層204產生熱量，引起聚合物層101的形變。聚合物層101向著第二碳納米管層202 —側彎曲。
[0045]如圖3b中所示，當波長為λ 2的光照射可編碼執行器100時，第二碳納米管層202吸收入射光，第一、第三和第四碳納米管層不吸收入射光。第二碳納米管層202產生熱量，引起聚合物層101的形變.聚合物層101向著第四碳納米管204 —側彎曲。
[0046]類似地，聚合物層101可以向其他兩個方向彎曲，實現萬向軸的功能。
[0047]第二實施例
[0048]圖4示