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软体机器人由可承受大应变的柔性材料制成,具有无限多自由度和连续变形能力,可在大范围内任意改变自身形状和尺寸,相较于传统机器人具有更好的环境适应性。然而新型柔性材料的应用给软体机器人的驱动设计带来新的挑战,传统机器人的设计路线不再适用。目前,各驱动方式的软体机器人在医疗检测、深海探索、隐蔽侦察、灾后搜救等领域展现出广阔的应用前景,但是普遍存在承重能力较弱、响应速度较慢、难以实现“无尾化”远程控制等问题,制约着软体机器人的实际应用效果。鉴于此,针对软体机器人在远程控制等方面存在的问题,本文利用响应水凝胶驱动的激励方式多样性的优势,结合纳米复合温敏水凝胶的复合材料改性机制,探索双层结构磁性温敏水凝胶的体积相变行为差异和交变磁场远程调控水凝胶的温度共同作用下的水凝胶软体机器人磁热耦合响应形变致动机理,研制了具有磁性温敏双重响应的双层结构仿生水凝胶软体机器人,构建了磁感应温敏水凝胶的溶胀模型和磁热耦合效应有限元分析模型。具体研究工作如下:(1)根据磁感应有/无机交联温敏水凝胶在不同温度下溶胀平衡状态体积相变测试结果,结合非离子型凝胶的化学式变化模型及Flory-Huggins混合自由能理论修正模型,构建温敏水凝胶溶胀行为数学模型。使用相同规格模具,分别以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为有机交联剂、LAPONITE为无机交联剂、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为温敏单体、纳米Fe3O4为磁性颗粒,制作有机交联温敏水凝胶(OCTH)、磁感应有机交联温敏水凝胶(MOCTH)、无机交联温敏水凝胶(ICTH)和磁感应无机交联温敏水凝胶(MICTH)。样品浸泡至溶胀平衡状态,探究其不同温度条件下的体积和质量变化。实验结果表明各NIPAM温敏水凝胶的最低临界溶解温度(LSTC)均在30℃左右,且使用无机交联剂的两组NIPAM温敏水凝胶在体积相变前后的体积收缩率(45.60%和41.63%)明显高于使用有机交联剂的两组(24.22%和17.10%)。根据非离子型凝胶的化学式变化模型及Flory-Huggins混合自由能理论修正模型,构建有机交联温敏水凝胶和无机交联温敏水凝胶溶胀行为数学模型。数学模型与根据实验数据计算所得各温敏水凝胶不同温度下的平衡溶胀率(ESR)拟合优度较高。(2)通过COMSOL多物理场耦合仿真工具构建磁感应温敏水凝胶磁热耦合仿真模型,对磁感应温敏水凝胶在交变磁场环境中的磁热效应及热传递现象进行仿真计算,研究磁场条件、磁性纳米Fe3O4颗粒分布及感应加热时间对磁感应温敏水凝胶内部温度场的影响规律。利用COMSOL软件建立磁感应温敏水凝胶磁热效应有限元仿真模型,以铜制线圈为热源,通入10 A交变电流产生所需磁场环境,加热磁感应温敏水凝胶。仿真结果表明,超高频磁场对磁感应温敏水凝胶具有明显的感应加热效果,在200-600 kHz磁场条件下感应加热速度随磁场频率的增大而减少,且随着磁场频率的增大所需时间的减少率变小;纳米Fe3O4颗粒密度较高时加热速度明显优于分布密度较低时。(3)观察实蝇幼虫蠕动爬行步态、体足分布和结构,基于不同材料在体积相变行为、保水率等性质上的差异,设计磁感应温敏水凝胶致动器,研制并测试仿实蝇幼虫水凝胶软体机器人的运动性能。结合材料性质差异和感应加热共同作用下的水凝胶软体机器人致动机理研究,设计出具有差异化双层结构的磁感应温敏水凝胶致动器,可在交变磁场中升温实现弯曲致动;研制并测试了仿实蝇幼虫水凝胶软体机器人,在粗糙表面测试其蠕动爬行运动性能。测试结果表明,M-M型双层结构仿实蝇幼虫水凝胶软体机器人在超高频交变磁场环境中,借助粗糙接触面所提供的定向摩擦力可完成简单的蠕动爬行,蠕动前进的速度为0.23 mm/s(即0.009 BL/s),实现了软体机器人的无线控制。综上所述,利用磁感应有机交联温敏水凝胶和磁感应无机交联温敏水凝胶体积相变行为的差异,研制的双层结构仿实蝇幼虫水凝胶软体机器人具有良好的可操控性,为软体机器人的无线控制提供了可靠的理论支撑与实验依据。