一种用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料及其制备方法与应用与流程
本发明涉及高分子材料，尤其是涉及一种用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料及其制备方法与应用。
背景技术：
1、随着人形机器人技术的飞速发展， “人工皮肤”作为人机交互的关键界面，正从简单的物理覆盖层向具备感知、交互、防护等多功能于一体的“超仿生皮肤”演进。理想的机器人皮肤不仅应具备接近真实人类皮肤的柔软度、干爽触感，同时还能够灵敏地感知压力、拉伸和温度等多种外界刺激，并具备良好的耐环境老化以及抗机械损伤能力。
2、目前，用于人形机器人皮肤的主流材料包括热固性硅橡胶和热塑性弹性体（tpe）。其中，热固性硅橡胶（如加成型或过氧化物硫化硅橡胶）具有优异的柔韧性、耐候性和生物相容性，但其硬度通常难以降至极低（如邵氏a 0-5度），且加工成型周期长，废料不可回收，限制了其在追求极致仿生触感和绿色制造中的应用。此外，通过简单共混方式在硅胶中添加导电填料（如炭黑、碳纳米管、银纳米线）以赋予感知功能时，通常会面临填料分散不均、界面结合弱以及在高应变下导电网络易失效等问题，从而导致感知灵敏度低和信号不稳定。
3、另一方面，热塑性弹性体（tpe）或硅基热塑性硫化胶（sitpv）虽能实现较低的硬度和干爽触感，并支持热塑加工；然而，它的长期力学稳定性、抗蠕变性以及对高含量功能性填料的承载能力不足。更重要的是，现有材料体系多为均匀复合或简单层压结构，难以在同一系统中分区优化表面触感、内部感知和整体防护性能，功能集成度低。在加工方面，传统工艺难以实现导电填料在三维空间内的精准及有序排列，无法构建各向异性的高性能感知网络。同时，材料的可回收性与使用状态下的尺寸稳定性和耐久性之间还存在根本矛盾。
4、因此，亟需开发一种全新的材料体系与制造方法，以系统性解决超软触感、高功能集成、稳定耐久与绿色加工之间的多重矛盾，满足下一代人形机器人超仿生皮肤的高性能需求。鉴于此，特提出本专利申请。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料及其制备方法与应用。
2、为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
3、一种用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料，所述复合材料由动态交联硅胶基体和多功能导电感知网络组成，具有功能梯度或多层结构；其中，所述动态交联硅胶基体由包含可逆共价键或超分子作用力的硅氧烷聚合物网络构成；所述多功能导电感知网络由经表面修饰的一维或二维纳米导电填料在所述动态交联硅胶基体中通过外场诱导组装形成的三维连通和取向排列的网络结构。
4、进一步地，所述动态交联硅胶基体包含两种具有不同响应特性的动态网络：第一网络由动态共价键构成；第二网络由热敏性超分子作用力构成。
5、进一步地，所述第一网络中的动态共价键选自基于酯交换反应的动态共价键、基于diels-alder加成反应的可逆共价键、基于二硫键交换的动态共价键中的至少一种。
6、进一步地，所述第二网络中的热敏性超分子作用力选自基于2-脲基-4[1h]-嘧啶酮的四重氢键、基于配位键的超分子作用、基于结晶性软段熔融-结晶相变的作用力中的至少一种。
7、进一步地，所述绝缘聚合物层在填料表面呈非连续分布。
8、进一步地，所述多功能导电感知网络中的导电填料为核壳结构杂化填料。
9、一种用于制备所述用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料的方法，包括以下步骤：
10、（1）导电填料的表面修饰与预处理：对选定的纳米导电填料进行表面功能化修饰，引入能够与动态硅胶网络发生化学键合或强相互作用的反应性官能团；
11、（2）动态交联硅胶预聚物的制备：合成含有可逆共价键前驱体或超分子单元的硅氧烷预聚物组合物；
12、（3）填料-基体复合浆料的配制：将步骤（1）得到的修饰后导电填料均匀分散于步骤（2）得到的动态交联硅胶预聚物中，形成可加工的复合浆料；
13、（4）外场诱导定向组装与成型：将步骤（3）中制得的复合浆料注入或涂布于成型模具或基材上，在浆料固化前或固化过程中，施加特定的外场，诱导导电填料沿预设方向进行定向排列和组装，形成有序的导电网络；
14、（5）动态交联固化与后处理：在适宜的温度或光照条件下，使步骤（4）中的预聚物发生交联反应，形成动态交联网络，同时锁定填料的有序结构。
15、进一步地，步骤（1）中所述的表面功能化修饰包括在导电填料表面接枝“双端锚定、中间柔性”的聚合物刷。
16、进一步地，步骤（4）中所述的外场为磁场、电场或剪切场中的至少一种。
17、一种人形机器人超仿生皮肤，所述人形机器人超仿生皮肤由前述硅胶复合材料制成。
18、本发明所提供的用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料及其制备方法的原理如下：
19、本发明所设计的用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料主要理念如下：首先，针对填料与基体界面结合弱的难题，我们设计了在导电填料表面接枝一种“双端锚定、中间柔性”的聚合物刷。具体说来，所设计的聚合物刷的一端可通过多重动态共价键（例如：多个二硫键）与填料表面实现强共价锚定，而另一端则修饰有可与动态硅胶网络发生可逆共价键合（例如：呋喃基或马来酰亚胺基团，用于diels-alder反应）或能形成强超分子作用（如基于upy的四重氢键）的官能团；中间链段为高度柔性的聚合物链段（如聚二甲基硅氧烷，pdms）。该设计在填料与基体间构筑了一个兼具高强度和高延展性的弹性界面过渡层。当基体发生大形变时，该界面层能通过动态键的可逆断裂与重组进行自适应，允许填料产生一定位移而不脱粘，从而在大应变循环下仍能维持导电通路的稳定性。其次，本发明所提供的硅胶复合材料将动态交联硅胶基体设计为包含两种具有不同响应特性的动态网络：其中，第一网络为基础稳定网络：由具有较高活化能的动态共价键构成，例如基于特定催化剂的酯交换键、或热可逆的diels-alder键。该网络在机器人皮肤的常规工作温度范围（-10-60℃）内保持相对稳定，能提供基本的力学强度和抗蠕变性。第二网络为热响应调节网络：由热敏性超分子作用力构成，例如基于2-脲基-4[1h]-嘧啶酮（upy）的四重氢键二聚体，或具有一定熔点的结晶性软段（如长链烷烃）。该网络在加工温度（如100-130℃）下解离或熔融，极大降低网络粘度，赋予材料优异的热塑流动性；当温度降至使用温度时，超分子作用力重组或结晶复现，显著增强材料的瞬时模量和尺寸稳定性。这种“温度门控”设计实现了材料性能的智能开关，完美提高了硅胶复合材料的加工效率与使用可靠性。第三，为实现高灵敏度且稳定的应变感知，本发明所提供的硅胶复合材料还对所使用的一维导电填料（优选银纳米线）进行特殊修饰，在其表面包裹一层极薄（1-5 nm）的聚多巴胺柔软绝缘聚合物层；聚多巴胺绝缘层与硅胶基体相容性好。在未应变时，银纳米线相互靠近，电子通过量子隧穿效应穿越聚多巴胺绝缘层形成导电通路。当材料被拉伸时，银纳米线间距增大，隧道电阻呈指数级增加即可实现高灵敏度的电阻变化。由于导电机制依赖于隧道效应而非填料的直接物理接触，因此即使在大应变下填料发生相对滑移，只要绝缘层保持接触，电阻变化就是连续且高度可逆的，这解决了传统接触式导电网络易失效的难题。第四，在制备所述硅胶复合材料过程中，为实现多层功能结构的一体化牢固结合，本发明在层间引入含有双组分反应性树脂的界面过渡浆料。在共挤或顺序涂布过程中，该浆料被注入相邻两层之间。后续热处理中，树脂a与上层材料、树脂b与下层材料分别形成局部互穿网络（ipn），同时树脂a与b之间也发生交联反应。最终，在界面区域形成一个化学成分和模量连续变化的梯度过渡区，而非一个清晰的物理界面。这赋予了复合材料极高的层间剥离强度（>50 n/cm）和卓越的抗疲劳性能。
20、本发明所提供的用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料及其制备方法的优点如下：
21、（1）本发明所提供的用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料性能集成卓越：成功实现了邵氏硬度0a-5a的超软亲肤触感、高灵敏度应变感知、优异环境防护（耐紫外、抗撕裂）以及良好加工性的多重性能一体化。
22、（2）本发明所提供的用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料界面结合强韧耐久：通过动态自适应界面层和梯度ipn界面技术，确保了填料与基体、功能层与层之间在长期动态负载下的牢固结合，有效解决了分层、脱粘等失效问题。
23、（3）本发明所提供的用于人形机器人的人工皮肤硅胶复合材料应用前景广阔：本发明材料不仅适用于人形机器人皮肤，还可广泛应用于柔性可穿戴设备、医疗康复器械、智能假肢、高端消费电子等领域，具有巨大的市场潜力和技术价值。