天津大學(xué)封偉教授、王玲教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：液態(tài)金屬復(fù)合液晶高分子執(zhí)行器用于可編程軟體機(jī)器人
發(fā)布時(shí)間：2021-06-30 08:37:00 人氣：1267
大自然一直是人類模仿各種生物體的生物柔軟度、身體順應(yīng)性和重要功能的靈感來源。最近，基于響應(yīng)性軟材料設(shè)計(jì)的仿生軟體機(jī)器人引起了研究人員越來越多的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)可變形性、人機(jī)交互友好性、驅(qū)動(dòng)自由度高、環(huán)境順應(yīng)性和適應(yīng)性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。先前基于軟材料如水凝膠、液晶網(wǎng)絡(luò)（LCN）和形狀記憶聚合物（SMP）的研究表明，LCN由于具有各向異性、可逆和可編程的形狀變形特性，被認(rèn)為是制備刺激驅(qū)動(dòng)軟執(zhí)行器優(yōu)異的候選者之一。然而，基于LCN的軟體機(jī)器人系統(tǒng)通常受限于其固有的導(dǎo)熱或?qū)щ娦圆蛔阋约芭c功能納米材料的機(jī)械不相容性。此外，由于鎵基液態(tài)金屬(LMs)具有卓越的流動(dòng)性、高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性等特性也被用于開發(fā)軟體機(jī)器人，但其變形和自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)大多由電場(chǎng)或化學(xué)刺激驅(qū)動(dòng)且經(jīng)常在酸性水溶液環(huán)境中防止表面氧化，這極大地限制了它們的功能和潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，迫切需要提出一種軟物質(zhì)工程策略來有效地結(jié)合液態(tài)金屬和功能聚合物或納米材料并保持其優(yōu)異的內(nèi)在特性。
鑒于此，天津大學(xué)封偉教授、王玲教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)肯特州立大學(xué)李全院士合作提出了一種將導(dǎo)電液態(tài)金屬（LM）和形狀變形液晶網(wǎng)絡(luò)（LCN）集成到多功能和可編程軟機(jī)器人的普適性策略。該形狀可編程的LM-LCN執(zhí)行器不僅結(jié)合了LCN的可逆形狀變形特性和LM的優(yōu)異導(dǎo)熱/導(dǎo)電性，而且還實(shí)現(xiàn)了電熱驅(qū)動(dòng)和近紅外光（NIR）驅(qū)動(dòng)。為了驗(yàn)證軟體機(jī)器人的功能，研究人員開發(fā)了近紅外光（NIR）驅(qū)動(dòng)的自持續(xù)軟體振蕩器和軟體爬行器，并巧妙地將可編程軟機(jī)器人與傳統(tǒng)皮影藝術(shù)相結(jié)合，展示了基于光驅(qū)動(dòng)軟體致動(dòng)器的警察指揮交通、嫦娥奔月和詩人仰望燈塔等皮影戲場(chǎng)景。這項(xiàng)工作提出的策略有望為先進(jìn)多功能軟物質(zhì)材料的研究開辟了一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。相關(guān)工作以題為“Stimulus-Driven Liquid Metal and Liquid Crystal Network Actuators for Programmable Soft Robotics”的論文發(fā)表在國(guó)際權(quán)威材料期刊《Materials Horizons》上。
LM-LCN致動(dòng)器在直流電壓或NIR光照射下的可逆形狀變形
研究者通過生物培養(yǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)合成了生物質(zhì)納米細(xì)菌纖維素，隨后，在生物納米纖維素的水懸浮液中對(duì)共晶鎵銦（EGaIn）LM和微型羧化金納米棒（MiniGNR-COOH）進(jìn)行超聲處理，巧妙地設(shè)計(jì)和制造了一種獨(dú)特的膠體LM墨水。MiniGNR-COOH的引入不僅能夠穩(wěn)定LM納米粒子，還可以大大增強(qiáng)膠體LM油墨的光熱性能。通過將膠體LM懸浮液涂覆到LCN薄膜上來制造形狀可變形的LM-LCN致動(dòng)器（LCN厚度為~23 μm，LM涂層厚度約為0.3 μm）。LM-LCN致動(dòng)器在施加直流電場(chǎng)或近紅外光照射時(shí)表現(xiàn)出可逆的形狀變形（如圖1），這是由于電熱和光熱誘導(dǎo)的液晶有序性降低和由此產(chǎn)生的薄膜平面取向側(cè)收縮和垂直取向側(cè)膨脹。LM-LCN致動(dòng)器在施加低直流電壓后可以控制其彎曲角度，在1.5 V下3.0秒內(nèi)彎曲角度可達(dá)34°，并在撤去電壓2 s內(nèi)恢復(fù)到原始形狀。LM-LCN致動(dòng)器的光響應(yīng)動(dòng)力學(xué)與LCN薄膜的厚度、膠體LM涂層的厚度和近紅外輻射的功率密度等幾個(gè)因素密切相關(guān)。LM-LCN致動(dòng)器在NIR光照射（808 nm，0.3 W cm-2）下，在2.5秒內(nèi)可達(dá)到118°的彎曲角度，而且這種形狀變形具有優(yōu)異的循環(huán)性。
圖1 LM-LCN致動(dòng)器在施加直流電壓或NIR光照射后的可逆形狀變形
NIR光驅(qū)動(dòng)形狀可編程LM-LCN執(zhí)行器
LM-LCN致動(dòng)器在NIR驅(qū)動(dòng)下的形狀變形和時(shí)間編程功能歸因于嵌入式MiniGNR-COOH的卓越光熱轉(zhuǎn)換效率和膠體LM墨水的選擇性涂層特性。通過將膠體LM墨水涂覆到傾斜排列的LCN薄膜平面?zhèn)鹊倪x定區(qū)域上可實(shí)現(xiàn)LM-LCN制動(dòng)器的可編程變形能力（如圖2）。納米結(jié)構(gòu)膠體LM涂層僅沉積在LCN膜的一側(cè)、中間部位和兩端時(shí)，在NIR光照射下能夠分別獲得可逆的S形、M形和W形驅(qū)動(dòng)。研究人員在自然界中的振蕩現(xiàn)象如蜻蜓的翅膀中汲取靈感后，通過將膠體LM涂層沉積在LCN薄膜的一側(cè)，基于光熱和光彎曲變形導(dǎo)致的自陰影機(jī)制開發(fā)了頻率約為8.0 Hz的NIR光燃料LM-LCN自持軟振蕩器。研究人員進(jìn)一步仿生自然界中尺蠖爬行，在光照打開/關(guān)閉的循環(huán)中，展示了一種受光驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人爬行器，該爬行器由中心圖案LM-LCN在棘輪基板上易位制成。在NIR照射下，LM-LCN致動(dòng)器前移是因?yàn)長(zhǎng)CN表面向下彎曲時(shí)前后邊緣不同的摩擦力（F1>F2）。關(guān)閉NIR后，LCN條帶彈性恢復(fù)，前緣承受較大摩擦力（F4>F3）使履帶后部向前移動(dòng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)LM-LCN致動(dòng)器的爬行速度與紅外光照射強(qiáng)度緊密相關(guān)，當(dāng)808 nm紅外光的照射強(qiáng)為0.1、0.2 和 0.3 W cm-2時(shí)，LM-LCN致動(dòng)器爬行的平均速度分別為 1.17、1.51 和 1.75 mm s-1。
圖2 NIR光驅(qū)動(dòng)形狀可編程LM-LCN軟執(zhí)行器
研究人員還通過組裝形狀記憶行為的LM-SMP與導(dǎo)電形狀可變形的LM-LCN致動(dòng)器集成了光控可編程機(jī)器人皮影戲，所有的運(yùn)動(dòng)都投射到觀眾觀察的屏幕上（如圖3）。其中指揮交通的警察由形狀可逆LM-LCN（手）和形狀不可逆LM-SMP（身體）致動(dòng)器制成，開始時(shí)警察和汽車陰影在水平狀態(tài)對(duì)屏幕均不可見，NIR光照射時(shí)，LM-SMP鉸鏈的光熱誘導(dǎo)不可逆變形導(dǎo)致屏幕上先后出現(xiàn)汽車和警察的影子。警察的一只手以LM-LCN執(zhí)行器作為肘關(guān)節(jié)，可以通過循環(huán)NIR光照射表現(xiàn)出可逆的揮手手勢(shì)。第二個(gè)機(jī)器人皮影戲的靈感來自中國(guó)傳說中嫦娥奔月的傳說，展示了一只玉兔走向美人的場(chǎng)景。在NIR輻射下，美人腳上的LM-SMP鉸鏈的光熱誘導(dǎo)不可逆變形導(dǎo)致了她的出現(xiàn)。光驅(qū)動(dòng)的玉兔走向美女是由LM-LCN執(zhí)行器在循環(huán)近紅外輻射下在棘輪天梯上移位觸發(fā)的。最后一個(gè)皮影戲基于LM-LCN和LM-SMP軟致動(dòng)器以及膠體LM涂層的導(dǎo)電性，展示了一個(gè)詩人仰望閃亮燈塔的場(chǎng)景。人影的出現(xiàn)同樣基于LM-SMP鉸鏈的近紅外輻射，燈塔頂部的紅色LED則基于NIR光驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)電LM-LCN薄膜的彎曲變形可逆地切換，使電路連通或斷開。
圖3 結(jié)合LM-LCN和LM-SMP的可編程軟機(jī)器人在NIR光下的皮影展示
總結(jié)
研究者基于LCN的可逆形狀變形特性和LM的優(yōu)異導(dǎo)電性開發(fā)了一種可電熱和光熱驅(qū)動(dòng)的形狀可編程的LM-LCN軟致動(dòng)器。通過選擇性地將膠體LM墨水涂覆到具有展曲分子取向的LCN薄膜上，開發(fā)了具有多種形狀的NIR光驅(qū)動(dòng)形狀可編程LM-LCN軟執(zhí)行器。此外，研究人員還通過結(jié)合LM-LCN和LM-SMP，將可編程軟機(jī)器人應(yīng)用于傳統(tǒng)的皮影藝術(shù)，展示了基于光驅(qū)動(dòng)軟體致動(dòng)器的警察指揮交通、嫦娥奔月和詩人仰望燈塔等皮影戲場(chǎng)景。這項(xiàng)工作展示了一種更為通用的策略，可以有效地整合LM的導(dǎo)電性和LCN或功能聚合物的形狀變形特性并保持其優(yōu)異的內(nèi)在特性，為開發(fā)具有仿生智能、集成多功能柔性電子設(shè)備、人機(jī)交互以及其他先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的無繩軟機(jī)器人或機(jī)器提供新的動(dòng)力。
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