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寧波材料所開發出無束縛、可編程的“保鮮膜”軟體機器人
作者:,日期:2020-09-02

  地球上的大多數生物體經過長期進化選擇可根據所處的外界環境快速產生適應性自身形變和/或可控運動以躲避危險、生存繁衍。例如,自然界中的植物如風滾草在逃離干旱地區、昆蟲如金輪蜘蛛在躲避天敵襲擊等情況下,會選擇性地先將自身變形為球狀,進而通過“翻滾”運動的形式快速離開當前不利環境。通過人工合成材料的程序化可控設計、模仿甚至超越生物體的智能驅動行為,是仿生材料領域研究的前沿熱點及難點之一。軟體驅動材料可將外界物理刺激(熱、電、光、磁等)或化學刺激(pH、溶劑、離子強度等)轉變為自身的機械變形,在人造肌肉、柔性機器人等方面展現出巨大的應用前景。在仿生無束縛形變方面,基于形狀記憶聚合物、液晶彈性體、高分子水凝膠等軟體驅動器已取得了重要的研究進展,然而如何以溫和便捷的方法構筑類似于生物體的兼具快速形變、可編程及運動功能的仿生軟體驅動材料與器件則仍然面臨著巨大挑戰。

  針對上述問題,中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員團隊開發了一種可編程性強、驅動速度快的光控無約束軟體驅動器,其不僅可在紅外光的控制下進行可控的自身形變,還可通過限域回火處理實現仿生“翻滾”式快速運動和用作運輸物品的軟體機器人(Nat. Commun., 2020, 11, 4359, doi.org/10.1038/s41467-020-18214-0)。研究人員將前期研究在水/空氣界面組裝的大面積石墨烯薄膜(SGA)(ZL201510466050.3;Chem. Mater., 2016, 28, 7125;ACS Nano, 2019, 13, 4368;Nano Energy, 2019, 59, 422)轉移到熱膨脹系數遠高于石墨烯的商用聚乙烯材質的保鮮膜(PE)上得到SGA/PE雙層復合膜(圖1a-c)。所得SGA/PE在外界熱刺激下表現出通常雙層膜驅動器常見的驅動行為(圖1d),值得注意的是,若進行如鋼鐵冶金行業的回火處理,該復合膜通過限域回火處理后,可得到初始構型可調的SGA/PE驅動器,初始構型變形曲率可通過SGA膜層數和回火處理溫度進行精確調控(圖1e-g)。

  尤其重要的是,通過與香港理工大學姚海民教授團隊在分子動力學模擬和有限元分析上的合作,表明SGA層具有非對稱彈塑性力學性能,SGA受拉伸時由于內部各石墨烯片層之間不可逆的相對滑動而表現為高塑性,SGA受壓縮時由于可逆的屈曲褶皺變形表現為高彈性。在受限空間下的回火處理過程中正是SGA層非對稱彈塑性力學性能使得SGA/PE具有室溫構型可編程性能,通過理論計算得到的回火處理的SGA/PE變形曲率和實際變形曲率具有良好的一致性(圖2)。

  進一步通過圖案化的石墨烯薄膜和/或局部回火預處理策略,實現了對這種熱誘導變形系統的初始構型的定制化編程設計,從而創建了具有三維復雜驅動的形變系統?;谶@種優異的形狀變形控制性能,研究者將SGA/PE應用于開發各種熱或光響應驅動器件,包括人工虹膜、人工睡蓮(視頻1),仰臥起坐機器人等固定位置的自身變形體系(圖3)。

  特別需要提及的是,限域回火處理后的SGA/PE雙層膜在室溫下自發卷曲成多層卷構型,可用于構筑不受束縛的光控運動器件,其在外界側向紅外光照刺激下可實現在平地與模擬沙漠上的連續翻滾前進運動(圖4a-b,視頻2),還可組裝成四軸運動的摩托機器以及基于此的可運輸物品的軟體機器人(圖4c,視頻3和4)。

  該策略為開發具有可編程、無束縛的軟體機器人提供了一個新思路,該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院國際合作局重點項目資助、中國科學院前沿科學重點研究項目、NSFC-浙江兩化融合聯合基金、香港研究資助局研究基金、中國博士后科學基金等的資助。

圖1 a-c) SGA/PE雙層復合膜形貌;(d) 常規熱驅動變形;e) 限域回火處理變形;f-g) 限域回火形變調

圖2 分子動力學模擬計算SGA層在拉伸和壓縮時的變形行為

圖3 通過不同策略 (a-d圖案化SGA和PE層、e局域回火處理) 編程SGA/PE初始構型;f) 虹膜、百合、仰臥起坐機器人、含羞草

圖4 a) 限域回火處理實現翻滾式運動行為,b) 仿金輪蜘蛛的沙漠滾動行為,c) 組裝摩托運動行為與運輸軟體機器人

視頻1 仿生睡蓮太陽光驅動開合

視頻2 紅外光驅動滾筒進行“翻滾”運動

視頻3 組裝摩托車運動

視頻4 智能搬運及卸載

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