【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及了微型光波導(dǎo)致動(dòng)，具體涉及了一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器和方法。
技術(shù)介紹
1、可以將外部刺激轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的微型軟致動(dòng)器在深海探測(cè)、小型生物取樣、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力。由磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度和濕度等不同刺激驅(qū)動(dòng)的各種軟致動(dòng)器已被廣泛報(bào)道，其中由光驅(qū)動(dòng)的光致動(dòng)器由于易于遠(yuǎn)程控制以及波長(zhǎng)、強(qiáng)度和偏振等參數(shù)的可調(diào)節(jié)性而受到了特別的關(guān)注。
2、傳統(tǒng)的光致動(dòng)器大多數(shù)都是由自由空間光觸發(fā)的，這意味著光源和致動(dòng)器之間必須有直線光路，對(duì)于易受遮擋的情況致動(dòng)器的使用受到極大限制。而且在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中，自由空間光的強(qiáng)度可能會(huì)顯著降低，影響驅(qū)動(dòng)效率。例如在水下場(chǎng)景，尤其是深水及深海探測(cè)應(yīng)用中，水的折射、散射及吸收等會(huì)對(duì)空間光的強(qiáng)度和性質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響，極大地阻礙了致動(dòng)器的使用和精準(zhǔn)控制。
3、使用光波導(dǎo)將光傳輸?shù)街聞?dòng)器中是克服這些限制的有效策略，因?yàn)楣饪梢酝ㄟ^(guò)光波導(dǎo)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，避免了外界環(huán)境的影響，減小了損耗。然而，目前關(guān)于光波導(dǎo)致動(dòng)器的研發(fā)十分缺乏，并且所報(bào)道的光波導(dǎo)致動(dòng)器由于所用的光波導(dǎo)材料多為商用光纖，其尺寸較大（>100微米），導(dǎo)致致動(dòng)器尺寸較大，難以微型化，且易造成與光響應(yīng)性材料的尺寸不匹配而降低能量利用率，因此目前已有的光波導(dǎo)型致動(dòng)器的變形幅度較小且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，難以滿足實(shí)際使用的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，開發(fā)具有大變形能力的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，所以本專利技術(shù)提供了一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：
3、一、一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器：
4、微型光波導(dǎo)致動(dòng)器包括微納光纖、聚合物纖維和光源，聚合物纖維與微納光纖的一端接觸連接，光源布置在微納光纖的另一端；微納光纖具有腰區(qū)，腰區(qū)處布置有和微納光纖材料特性不同的聚合物纖維。
5、所述微納光纖主要為單錐型微納光纖，由加熱拉伸法制得，所述單錐型微納光纖包括位于中間的微納光纖錐區(qū)、位于一端的微納光纖腰區(qū)以及位于另一端的微納光纖尾纖，即微納光纖錐區(qū)在微納光纖腰區(qū)和微納光纖尾纖之間，所述微納光纖腰區(qū)經(jīng)過(guò)聚合物纖維，聚合物纖維與微納光纖腰區(qū)的表面接觸連接，光源布置在微納光纖尾纖的末端附近。
6、其中，所述聚合物纖維緊密貼附在微納光纖腰區(qū)的表面上。
7、光由所述光源產(chǎn)生發(fā)出，然后入射至所述單錐型微納光纖內(nèi)，使得所述微納光纖腰區(qū)周圍產(chǎn)生倏逝場(chǎng)；光從所述微納光纖尾纖入射至所述單錐型微納光纖內(nèi)并傳播，經(jīng)過(guò)所述微納光纖錐區(qū)到達(dá)所述微納光纖腰區(qū)。
8、所述聚合物纖維中摻雜有光熱轉(zhuǎn)化材料。
9、所述聚合物纖維的折射率大于所述單錐型微納光纖纖芯的折射率，并且聚合物纖維與微納光纖腰區(qū)的熱膨脹系數(shù)不同。
10、優(yōu)選地，所述聚合物纖維通常采用聚甲基丙烯酸甲酯纖維、熱塑性聚氨酯、液晶彈性體、水凝膠、聚乙烯、聚苯乙烯等，所述光熱轉(zhuǎn)化材料具體為金納米顆粒、金納米棒、石墨烯、碳納米管、染料等。
11、更優(yōu)選地，所述聚合物纖維為聚合物纖維ⅰ、聚合物纖維ⅱ、聚合物纖維ⅲ和聚合物纖維ⅳ其中的任一種；
12、1)將聚甲基丙烯酸甲酯和光熱染料加入至n,n-二甲基甲酰胺中至溶解，其中聚甲基丙烯酸甲酯的質(zhì)量用量為光熱染料的20-1000倍，然后使用靜電紡絲法和平行板電極，得到具有取向的聚甲基丙烯酸甲酯纖維，作為聚合物纖維ⅰ，隨后利用顯微操作將聚合物纖維ⅰ放置在所述微納光纖腰區(qū)上，然后放置在微納光纖腰區(qū)上的聚合物纖維ⅰ經(jīng)n,n-二甲基甲酰胺蒸氣處理，得到結(jié)合有聚合物纖維ⅰ的微納光纖腰區(qū)，作為致動(dòng)器ⅰ；
13、2)將聚乙二醇修飾的金納米棒分散在n,n-二甲基甲酰胺中后加入熱塑性聚氨酯溶解，其中熱塑性聚氨酯的質(zhì)量用量為金納米棒的500-5000倍，得到混合溶液ⅰ，隨后利用微電子打印技術(shù)將所述混合溶液ⅰ打印在所述微納光纖腰區(qū)上，作為聚合物纖維ⅱ，經(jīng)干燥固化后得到結(jié)合有聚合物纖維ⅱ的微納光纖腰區(qū)，作為致動(dòng)器ⅱ；
14、3)將n-異丙基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺二苯甲酮和偶氮二異丁腈aibn溶解在1,4-二氧六環(huán)中，加熱反應(yīng)，干燥后得到pnipam，將聚乙二醇修飾的金納米棒分散在丙醇中，然后加入pnipam至溶解，其中pnipam的質(zhì)量用量為金納米棒的500-5000倍，得到混合溶液ⅱ，隨后利用微電子打印技術(shù)將混合溶液ⅱ打印在所述微納光纖腰區(qū)上，作為聚合物纖維ⅲ，并紫外光照射，得到結(jié)合有聚合物纖維ⅲ的微納光纖腰區(qū)，然后將結(jié)合有聚合物纖維ⅲ的微納光纖腰區(qū)浸泡在乙醇與水的混合溶劑中，作為致動(dòng)器ⅲ；
15、4)將液晶單體、擴(kuò)鏈劑、自由基抑制劑、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑、催化劑和光熱染料混合在一起得到混合溶液ⅲ，其中光熱染料在混合溶液ⅲ的質(zhì)量比為0.1%-5%，在避光條件下加熱進(jìn)行低聚反應(yīng)，得到液晶彈性體墨水，隨后利用微電子打印技術(shù)將液晶彈性體墨水模式打印在所述微納光纖腰區(qū)上，作為聚合物纖維ⅳ，并紫外光照射，得到結(jié)合有聚合物纖維ⅳ的微納光纖腰區(qū)，作為致動(dòng)器ⅳ。
16、二、基于微型光波導(dǎo)致動(dòng)器的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)方法：
17、所述方法為：
18、所述光源產(chǎn)生發(fā)出光，然后入射至所述單錐型微納光纖內(nèi)，在單錐型微納光纖的微納光纖腰區(qū)周圍產(chǎn)生倏逝場(chǎng)，聚合物纖維的折射率大于微納光纖腰區(qū)的折射率，使得光傳遞到聚合物纖維中進(jìn)而被所述聚合物纖維吸收，導(dǎo)致聚合物纖維和微納光纖腰區(qū)的溫度升高，引起聚合物纖維與微納光纖腰區(qū)的溫度出現(xiàn)差異，由于聚合物纖維與微納光纖腰區(qū)的熱膨脹系數(shù)不同，從而導(dǎo)致所述微型光波導(dǎo)致動(dòng)器產(chǎn)生彎曲變形。
19、所述聚合物纖維吸收光后在光熱材料的作用下聚合物纖維和微納光纖腰區(qū)的溫度升高，進(jìn)而使聚合物纖維和微納光纖腰區(qū)向熱膨脹形變較小的方向彎曲變形。
20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：
21、（1）克服了傳統(tǒng)的致動(dòng)器易受空間環(huán)境限制、難以微型化和遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操控的缺陷。
22、（2）可控性強(qiáng)，響應(yīng)速度快。
23、（3）通過(guò)微納光纖腰區(qū)產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，可將驅(qū)動(dòng)光高效地導(dǎo)入變形材料內(nèi)，提高了能量利用率。
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1.一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：所述微納光纖主要為單錐型微納光纖（1），所述單錐型微納光纖（1）包括位于中間的微納光纖錐區(qū)（102）、位于一端的微納光纖腰區(qū)（101）以及位于另一端的微納光纖尾纖（103），所述微納光纖腰區(qū)（101）經(jīng)過(guò)聚合物纖維（2），聚合物纖維（2）與微納光纖腰區(qū)（101）的表面接觸連接，光源（3）布置在微納光纖尾纖（103）的末端附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：所述聚合物纖維（2）貼附在微納光纖腰區(qū)（101）的表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：光由所述光源（3）產(chǎn)生發(fā)出，然后入射至所述單錐型微納光纖（1）內(nèi)，使得所述微納光纖腰區(qū)（101）周圍產(chǎn)生倏逝場(chǎng)；光從所述微納光纖尾纖（103）入射至所述單錐型微納光纖（1）內(nèi)并傳播，經(jīng)過(guò)所述微納光纖錐區(qū)（102）到達(dá)所述微納光纖腰區(qū)（101）。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：所述聚合物纖維（2）的折射率大于所述單錐型微納光纖（1）纖芯的折射率，并且聚合物纖維（2）與微納光纖腰區(qū)（101）的熱膨脹系數(shù)不同。
7.基于權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述微型光波導(dǎo)致動(dòng)器的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)方法，其特征在于：所述方法為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)方法，其特征在于：所述聚合物纖維（2）吸收光后在光熱材料的作用下聚合物纖維（2）和微納光纖腰區(qū)（101）的溫度升高，進(jìn)而使聚合物纖維（2）和微納光纖腰區(qū)（101）向熱膨脹形變較小的方向彎曲變形。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：所述微納光纖主要為單錐型微納光纖（1），所述單錐型微納光纖（1）包括位于中間的微納光纖錐區(qū)（102）、位于一端的微納光纖腰區(qū)（101）以及位于另一端的微納光纖尾纖（103），所述微納光纖腰區(qū)（101）經(jīng)過(guò)聚合物纖維（2），聚合物纖維（2）與微納光纖腰區(qū)（101）的表面接觸連接，光源（3）布置在微納光纖尾纖（103）的末端附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：所述聚合物纖維（2）貼附在微納光纖腰區(qū)（101）的表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倏逝場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型光波導(dǎo)致動(dòng)器，其特征在于：光由所述光源（3）產(chǎn)生發(fā)出，然后入射至所述單錐型微納光纖（1）內(nèi)，使得所述微納光纖腰區(qū)（101）周圍產(chǎn)生倏逝場(chǎng)；光從所述微納光纖尾纖（103）...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：肖建亮，張磊，施鈞輝，付翔，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：之江實(shí)驗(yàn)室，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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