一种微型光控漂浮载具的制作方法

本实用新型涉及一种利用非接触的光控制运动的微型水面载具，属于光驱动器技术与控制领域。

背景技术：

微型水面驱动器因其较小的体型，适用于在狭窄水域或实验室中完成任务，在水样采集、水污染治理、水中物体精细操作等领域具有重要的应用前景。现有微型水面驱动器的控制手段主要是电机控制和气泵控制。由于电机或气泵本身及其传动器件会产生结构复杂、体积庞大、重量过大、噪声过大等局限。光能作为一种廉价清洁的能源，具有低噪声、非接触式、精确可控的工作优势，国内外的研究者们近期关注了光控制技术在微型水面驱动器领域的应用。

目前利用光能对水面物体进行控制的原理主要有两种。第一种是利用光响应材料的光致形变现象：即利用具有光致顺反异构能力的偶氮苯、偶氮吡啶分子及其聚合物，制备成水面驱动器件，当特定波长的光照射到光致形变材料时，材料发生可逆或不可逆的形变，与水发生力的相互作用，利用反作用力带动整个器件运动。第二种是利用光热转换材料的光热作用：即利用具有光热转换能力的碳纳米材料、金属纳米材料、聚多巴胺、偶氮分子等制备成水面驱动器件，当特定波长的光照射到光热材料时，材料温度上升，使其接触的水面温度一同上升，伴随着温度上升处的水表面张力的下降，形成表面张力梯度，带动器件向高表面张力的方向运动。

现有技术一：公开号cn101705926a的中国发明专利公布了一种基于光响应材料的光致形变现象的光控水中推进器。该技术将具有光响应性的高分子制成膜作为推进单元，加工在器件船形支架和可动片之间的两侧，当特定波长的光照射推进单元时，推进单元发生形变，挤压推进单元包裹的水，与水发生相互作用，使器件运动起来。

现有技术二：公开号cn108527315a的中国发明专利申请公布了一种点光源驱动的微型机器人，采用基于光热效应的水面驱动技术。该技术将具有光热效性的碳纳米管与聚二甲基硅氧烷加工成柔性的膜，在高强度的激光照射下，点光源照射的膜部位温度升高，使其下的水的局部温度升高，引起水面的表面张力梯度，使器件在不对称的表面张力作用下在液面运动。

上述两种技术能够控制器件在水表面运动，并且因为其非接触式的能源提供，使装置更利于小型化与集成化。但是这两种现有技术都存在问题。首先，两种技术在工作状态下，光活性层与液体直接接触，可能会因为脱落、腐蚀、扩散等因素与水体形成互相污染而导致性能逐渐下降。其次，现有技术一的实现需要使用高分子量的光响应聚合物以提供较强的与水的相互作用力，合成路线长，合成难度大，时间成本及环境成本相对高昂。而现有技术二依托于表面张力的梯度，数十度的温度变化带来的表面张力梯度只能维持轻小薄膜在液体表面的运动，无法负载一定质量的其他物体，限制了执行任务的种类。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种不污染水体、低成本、具有一定负载能力的微型光控漂浮载具。

为了解决接触污染、成本高昂、负载低等问题，本实用新型提供了一种微型光控漂浮载具，包括透明硬质气舱、光热器件、导管和片状桨叶，其中所述光热器件放置于所述透明硬质气舱内，透明硬质气舱设有一个气孔，所述导管的一端与该气孔密封连接，导管的另一端尾部粘接所述片状桨叶。

所述透明硬质气舱上仅有一个气孔，且该气孔与所述导管一端的连接为密封连接，使整个装置只有导管作为唯一进出水或空气的出入路径。使用时，将微型光控漂浮载具的导管及片状桨叶插入水中，透明硬质气舱漂浮在水面，水会进入导管中，密封住透明硬质气舱中的空气。

所述透明硬质气舱的形状没有特别限制，可以是球形、半球形、圆柱形、椭球形等，以透明硬质气舱与水面的接触部分为球体或圆柱面的一部分为佳，该部分侧视图是圆弧形，以方便在水面转动或滑动。

所述光热器件在特定波长范围内的光照射下引发光热效应，使周围空气温度发生变化。该光热器件可以是光热剂与海绵等多孔材料基体的复合材料，光热剂分布在多孔材料基体上。所述光热剂可以是具有光热转换能力的碳纳米材料(如石墨烯等)、金属纳米材料、聚多巴胺、偶氮类材料等中的一种或多种。所述光热器件的形状优选为片状，例如将光热剂分散在片状多孔材料基体上构成复合多孔光热器件。所述光热器件固定在透明硬质气舱中，光透过透明硬质气舱壁照射在光热器件上。

所述导管可以是硬质直导管，或者是软质硅胶管等其他形式的管。所述片状桨叶一般为塑料薄片。插入水中的导管上浮或下沉会带动漂浮在水面的透明硬质气舱旋转相应的角度，也会使水中的片状桨叶受到水的作用力，进而驱使微型光控漂浮载具运动。

上述微型光控漂浮载具可以单只使用，也可以成对、数只编队使用。采用如下光控制方法对所述微型光控漂浮载具的运动进行控制：通过改变照射在光热器件上的特定波长范围内的光的有无或强弱，调节硬质透明气舱内的温度和气压，使进入导管内的水量改变，导管的受力和运动状态随之发生改变，进而利用水对片状桨叶的作用力控制微型光控漂浮载具的运动。在本实用新型的设计中，透明硬质气舱将水与光热剂进行空间上的隔离，避免了接触污染；气舱与水的圆弧形接触面设计可以减小透明硬质气舱在工作时与水面发生的相对转动和滑动的阻力；选用化工业产量大的光热剂，比如石墨烯等碳纳米材料可以降低成本；多孔材料的基体提升了光热剂与空气的接触面积，提升了对空气的加热效率；因气舱和导管在工作中始终有一部分处于水面以下，所以可以在水下部分悬挂一定量的负载。

本实用新型提供了一种无接触污染，光响应器件廉价，可施加水下负载的微型光控漂浮载具及其光控制方法，将光能转化为机械能，能够有效实现漂浮载具在水面的运动控制，该微型光控漂浮载具不仅无污染，而且结构简单，成本低廉，易于操控，环保节能，可远程操控，具有很高的应用价值和极强的环境适应性。

附图说明

图1是本实用新型微型光控漂浮载具的结构和工作原理图；

图1中，1-导管，2-水，3-特定波长范围内的光，4-硬质透明气舱，5-光热器件，6-片状桨叶。

图2是本实用新型微型光控漂浮载具前进(上浮)阶段时的受力示意图；

图2中，6-片状桨叶，7-上浮片状桨叶所受到的水的阻力，8-水阻力的水平分量，9-水阻力的竖直分量。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以下结合附图，通过本实用新型的优选实施例进行详细阐述。但本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于附图及实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

将石墨烯分散在乙醇中，将片状海绵浸没在石墨烯的乙醇分散液中，取出烘干，得到石墨烯质量分数30％的石墨烯-海绵复合多孔片状光热器件0.3g。参见图1，将光热器件5固定放置在两个半圆球透明塑料壳体中，用透明固化环氧胶水将两个半圆球透明塑料壳体对接密封，构成硬质透明气舱4。在密封好的硬质透明气舱4的球体表面钻一个孔，将硬质导管1一端插入，并用透明固化环氧胶将导管1外壁与塑料球壳密封粘接。导管1另一端与一个塑料薄片粘接得到片状桨叶6。从而获得图1所示的微型光控漂浮载具。

本实施例所使用的硬质透明气舱4为外径4厘米的聚甲基丙烯酸甲酯空心球壳，导管1为外径4毫米的聚丙烯饮料用吸管，片状桨叶6为裁剪为菱形的0.2毫米厚的聚碳酸酯片。本实施例采用的光照为980nm的红外光源，光强为170mw/cm²。

如图1所示，初始时，微型光控漂浮载具被放置在水面上，硬质直导管1尾端倾斜插入水2下。当特定波长范围内的光3照射到球形硬质透明气舱4上时，硬质透明气舱4内的复合多孔片状光热器件5温度上升，加热了硬质透明气舱4内的空气，使舱内气体压强增大，导致一部分气体从导管1尾部逸出；停止特定波长范围内的光3照射，硬质透明气舱4内温度下降，舱内气体压强比大气压低，一部分水2在气压差的作用下进入导管1。导管1由于新进入的水2的重力而下沉直到平衡，与水面倾斜夹角加大。

接下来的运动状态以及控制方法是周期性的，每个周期有两个阶段：第一阶段，即前进阶段，特定波长范围内的光3再次照射到硬质透明气舱4内的复合多孔片状光热器件5上，导管1内的水2由于硬质透明气舱4内气压增大被排出，导管1所受到的浮力大于重力，向水面浮起，导管1尾部的片状桨叶6与水2发生相互作用，如图2所示，上浮片状桨叶6受到的水的阻力7朝向右下方，该水阻力可分解为水平分量8和竖直分量9，水平分量8产生向右前方的推动力，使微型光控漂浮载具向前运动；第二阶段，即调整阶段，特定波长范围内的光3停止照射时，水2由于硬质透明气舱4内气压减小而进入导管1中，导管1所受到的浮力小于重力，向水底下沉，导管1尾部的片状桨叶6与水2发生相互作用，片状桨叶6受到的水的阻力具有水平向后的分量，使微型光控漂浮载具向后运动。由于光热效应温度升高的速度比停止光照后自然冷却的速度快，压强变化更快，导管1的上浮速度比下沉速度也更快。由于水的阻力与水中运动物体的速度的平方成正比，所以前进阶段导管1尾部片状桨叶6所受的水平前进作用力，大于调整阶段导管1尾部片状桨叶6所受的水平后退作用力，进而前进阶段的水平前进距离大于调整周期的水平后退距离。在每一个周期内，微型光控漂浮载具都具有净前进距离。

按照以上实施方法，周期性的打开和关闭特定波长范围内的光3，可以使微型光控漂浮载具持续运动下去。

当然，此微型光控漂浮载具可以单只使用，也可以成对、数只编队使用。同样，导管1的种类不局限于硬质直导管，还可以采用其他形式的管类，如软质的硅胶管等。硬质透明气舱4的外形不局限于球形，还可以采用其他形状，例如半球形、圆柱形、椭球形等其他适用形状。这样的变换均落在本实用新型的保护范围之内。

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