扭转与卷曲聚合物致动器的力学与物理
应用物理
2024-10-03 v2
摘要
扭转与卷曲聚合物致动器产生模拟天然肌肉的大收缩机械功，使其适用于机器人和健康辅助设备。由于复杂的几何形状、手性、残余应力和材料微观结构之间的相互作用，理解尼龙 TCPA 的机制仍然具有挑战性。本研究将材料微观结构模型与杆理论相结合，以解析地预测制造后尼龙 TCPA 的平衡螺旋形状，并解释在刺激下观察到的收缩机制。该模型的第一个要素是将尼龙视为一个能够储存应变能并在两相之间进行交换的双相热力学微观结构系统。这通过对扭转和退火尼龙纤维的扭转致动响应进行表征得到了验证。该模型的第二个要素是使用经典的 Kirchhoff Rod Theory 并添加一个耦合弯曲和扭转能量的必要项。实验验证表明，该模型捕获了 TCPA 在主动和被动状态下的平衡和纵向刚度，以及在外部载荷下的受激收缩。重要的是，该模型量化了储存能级对致动性能的影响。这些概念可以扩展到其他类型的 TCPA，并可能实现新的材料设计。
引用
@article{arxiv.2404.00802,
title = {The mechanics and physics of twisted and coiled polymer actuators},
author = {Qiong Wang and Anan Ghrayeb and SeongHyeon Kim and Liuyang Cheng and Sameh Tawfick},
journal= {arXiv preprint arXiv:2404.00802},
year = {2024}
}