本發(fā)明屬于智能材料，涉及一種基于溫濕度控制的可降解智能執(zhí)行器及其設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著智能材料技術(shù)與綠色可持續(xù)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于環(huán)境刺激(如溫度、濕度等)自主驅(qū)動(dòng)的環(huán)境響應(yīng)型執(zhí)行器逐漸成為智能器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這類執(zhí)行器能夠根據(jù)外界環(huán)境條件的變化，自主產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)形變或功能響應(yīng)，無(wú)需額外能源輸入，尤其適合在遠(yuǎn)程、無(wú)人值守或特殊環(huán)境中長(zhǎng)期使用，因此在農(nóng)業(yè)播種、生態(tài)修復(fù)、園藝管理及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、目前，已有部分執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)基于單一環(huán)境因素(濕度、溫度、光照等)的響應(yīng)控制。例如，氧化石墨烯濕度響應(yīng)執(zhí)行器依托其吸濕膨脹特性，對(duì)環(huán)境濕度變化作出形變響應(yīng)[1]。此類執(zhí)行器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其響應(yīng)機(jī)制單一，難以適應(yīng)溫濕度同時(shí)變化的復(fù)雜環(huán)境。而部分溫度驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器通常采用形狀記憶合金、熱敏聚合物等材料[2][3]，其形變過(guò)程需要外部電源提供驅(qū)動(dòng)能量，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，也不利于長(zhǎng)期戶外使用。

3、除此之外，現(xiàn)有環(huán)境響應(yīng)執(zhí)行器普遍存在材料不可降解或降解條件苛刻等問(wèn)題。例如，許多執(zhí)行器采用的abs、tpu等傳統(tǒng)聚合物材料，其長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中難以降解，甚至可能產(chǎn)生微塑料污染，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)潛在危害[4]。即便是pla等可降解材料，也需特定堆肥條件才能實(shí)現(xiàn)有效降解，這在實(shí)際野外應(yīng)用中難以滿足。

4、總體而言，現(xiàn)有技術(shù)中普遍存在著如下的不足：

5、1.驅(qū)動(dòng)因素單一：多數(shù)執(zhí)行器僅對(duì)溫度或濕度單一環(huán)境因素敏感，難以在多環(huán)境因素疊加變化的條件下實(shí)現(xiàn)靈敏響應(yīng)；

6、2.不可降解材料、組件占比高：傳統(tǒng)執(zhí)行器大量使用不可降解或難降解的合成材料，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅；

7、3.依賴外部能源：部分執(zhí)行器依賴外部供電或復(fù)雜控制系統(tǒng)，不適合遠(yuǎn)程部署或長(zhǎng)期無(wú)人看護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景。

8、針對(duì)上述技術(shù)痛點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于溫濕度控制的可降解智能執(zhí)行器及其設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)，該執(zhí)行器采用可降解材料構(gòu)成結(jié)合了溫度響應(yīng)層與濕度響應(yīng)層的雙層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度變化的同步感知與自適應(yīng)形變。該執(zhí)行器無(wú)需外部能源，且所有材料均為可降解環(huán)保材料，具備良好的環(huán)境友好性和長(zhǎng)期戶外穩(wěn)定工作能力，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)播種、生態(tài)修復(fù)、智能園藝及環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，為綠色可持續(xù)技術(shù)的推廣提供了全新思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于多尺度建模理論的3d全腦全息高性能精準(zhǔn)仿真方法及系統(tǒng)。該執(zhí)行器在仿生結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過(guò)材料的差異化響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度變化的同步感知與自適應(yīng)形變，實(shí)現(xiàn)所需目標(biāo)功能。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于溫濕度控制的可降解智能執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方法，包括：

4、根據(jù)所述執(zhí)行器待服役環(huán)境的典型溫濕度波動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)功能需求，確定執(zhí)行器的工作邏輯模式；

5、結(jié)合工作邏輯模式，設(shè)計(jì)與所述目標(biāo)功能相匹配的結(jié)構(gòu)原型，進(jìn)一步確定執(zhí)行器的整體外觀與關(guān)鍵形變部位，并根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)組件布局與組合方式；所述驅(qū)動(dòng)組件包括溫度驅(qū)動(dòng)層、濕度驅(qū)動(dòng)層；溫度驅(qū)動(dòng)層以條紋狀設(shè)置于濕度驅(qū)動(dòng)層上；

6、利用生物基溫度響應(yīng)材料作為溫度驅(qū)動(dòng)層、木質(zhì)濕度響應(yīng)材料作為濕度驅(qū)動(dòng)層，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)模擬評(píng)估驅(qū)動(dòng)組件的參數(shù)以及有無(wú)表面功能附加層對(duì)執(zhí)行器的影響，確定最佳參數(shù)及表面功能附加層參數(shù)；

7、按照所確定最佳參數(shù)及表面功能附加層參數(shù)進(jìn)行制備加工，包括：對(duì)濕度驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行熱壓處理，根據(jù)需要在濕度驅(qū)動(dòng)層表面形成溫度驅(qū)動(dòng)層條紋結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建方向可控的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)得到執(zhí)行器成品。

8、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步的，所述工作邏輯模式包括單因素驅(qū)動(dòng)模式及雙因素驅(qū)動(dòng)模式，所述單因素驅(qū)動(dòng)模式為以某一確定的環(huán)境因素為關(guān)注因素，所述環(huán)境因素選自溫度、濕度；所述雙因素驅(qū)動(dòng)模式為將溫度和濕度共同作為關(guān)注因素，當(dāng)關(guān)注因素達(dá)到預(yù)先設(shè)定的條件，則觸發(fā)執(zhí)行器變形。

9、進(jìn)一步的，所述的單因素驅(qū)動(dòng)模式包括以溫度為關(guān)注因素的熱驅(qū)動(dòng)模式、以濕度為關(guān)注因素的濕驅(qū)動(dòng)模式，所述的雙因素驅(qū)動(dòng)模式包括以所有關(guān)注因素均同時(shí)滿足條件的共同驅(qū)動(dòng)模式、擇一滿足條件的替代驅(qū)動(dòng)模式以及按次序滿足條件的順序驅(qū)動(dòng)模式。

10、進(jìn)一步的，所述的目標(biāo)功能需求包括但不限于播種、施肥施藥、誘蟲(chóng)、驅(qū)蟲(chóng)、集水、遮陽(yáng)、避雨。

11、進(jìn)一步的，所述的結(jié)構(gòu)原型是從植物仿生結(jié)構(gòu)庫(kù)中選取仿生結(jié)構(gòu)，所選取的仿生結(jié)構(gòu)或其組合，應(yīng)在所述工作邏輯模式下，能夠滿足所述目標(biāo)功能；

12、所述植物仿生結(jié)構(gòu)庫(kù)是通過(guò)分析不同植物的形變特性、根據(jù)植物環(huán)境響應(yīng)機(jī)理，總結(jié)仿生結(jié)構(gòu)，并將仿生結(jié)構(gòu)按照功能特性分類構(gòu)建得到，包括：模擬根類植物結(jié)構(gòu)的支撐類結(jié)構(gòu)，用以增強(qiáng)執(zhí)行器在松散或軟質(zhì)地表的穩(wěn)固性；模擬花瓣或折疊葉片的保護(hù)類結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器內(nèi)部功能區(qū)的防護(hù)或包覆；模擬種子擴(kuò)散傳播的傳播類結(jié)構(gòu)，用以提升執(zhí)行器的位移與擴(kuò)散能力；模擬附著攀爬的抓取類結(jié)構(gòu)，用以增強(qiáng)執(zhí)行器對(duì)目標(biāo)的抓附能力；模擬動(dòng)態(tài)氣孔或褶皺的適應(yīng)類結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器對(duì)氣體交換、水分遷移或光纖透過(guò)的可調(diào)控制。

13、進(jìn)一步的，所述木質(zhì)濕度響應(yīng)材料為天然木片、紙基材料或纖維素薄片，所述生物基溫度響應(yīng)材料采用聚羥基脂肪酸pha。

14、進(jìn)一步的，所述執(zhí)行器中驅(qū)動(dòng)組件組合方式設(shè)計(jì)為層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，是以濕度響應(yīng)材料為濕度驅(qū)動(dòng)層，通過(guò)控制濕度驅(qū)動(dòng)層的厚度調(diào)節(jié)其濕度響應(yīng)能力，若工作邏輯模式中不涉及濕度驅(qū)動(dòng)，則在濕度驅(qū)動(dòng)層上設(shè)置疏水涂層屏蔽濕度驅(qū)動(dòng)；在濕度驅(qū)動(dòng)層上以條紋狀溫度響應(yīng)材料為溫度驅(qū)動(dòng)層，通過(guò)控制條紋的寬度、厚度、條紋的間距、條紋的方向調(diào)節(jié)其溫度響應(yīng)能力。

15、進(jìn)一步的，所述的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)包括用于供用戶選擇或設(shè)置參數(shù)的界面單元、用于實(shí)現(xiàn)物理仿真的單元、以及用于對(duì)模型進(jìn)行展示的單元。

16、一種基于溫濕度控制的可降解智能執(zhí)行器的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)所述的方法，系統(tǒng)包括：

17、模型選擇與定制模塊：用于供用戶根據(jù)目標(biāo)功能需求，結(jié)合工作邏輯模式，從植物仿生結(jié)構(gòu)庫(kù)中選取仿生結(jié)構(gòu)或?qū)⑵浣M合，以作為結(jié)構(gòu)原型的參考模型，并支持對(duì)其形態(tài)與結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

18、變形行為設(shè)計(jì)模塊：用于在模型表面調(diào)整或自定義條紋圖案，通過(guò)設(shè)置條紋寬度、間距、排列方向的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定制化變形設(shè)計(jì)；

19、環(huán)境條件設(shè)定模塊：用于供用戶根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置環(huán)境溫濕度條件，以反映實(shí)際工作環(huán)境；

20、仿真分析與預(yù)覽模塊：根據(jù)環(huán)境條件設(shè)定模塊所設(shè)定條件，實(shí)時(shí)模擬所述模型的形變過(guò)程，并可視化變形效果。

21、一種基于溫濕度控制的可降解智能執(zhí)行器，采用如上任一項(xiàng)所述方法設(shè)計(jì)得到。

22、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：

23、(1)本發(fā)明突破了傳統(tǒng)環(huán)境響應(yīng)執(zhí)行器僅能單因素驅(qū)動(dòng)的局限，形成溫度與濕度雙因素協(xié)同驅(qū)動(dòng)的新機(jī)制，顯著提升執(zhí)行器對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)能力和響應(yīng)靈敏度。(2)本發(fā)明執(zhí)行器僅依賴自然環(huán)境中的溫濕度變化觸發(fā)形變，無(wú)需外接電源或電子元件，長(zhǎng)期部署后無(wú)需維護(hù)和回收，所使用材料均可降解，真正實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。(3)本發(fā)明方法中結(jié)合仿生啟發(fā)設(shè)計(jì)和雙因素協(xié)同驅(qū)動(dòng)機(jī)制，不僅借鑒植物仿生結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)環(huán)境互動(dòng)功能，且可在其基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際需求組合、改進(jìn)或創(chuàng)新，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性及設(shè)計(jì)自由度，同時(shí)全材料可降解，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)播種、生態(tài)修復(fù)、智能園藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，助力人與自然的可持續(xù)互動(dòng)，為綠色智能材料的推廣應(yīng)用提供全新思路。