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中國科大龔興龍教授課題組 Adv. Funct. Mater.：攀援植物啟發(fā)的用于過渡復(fù)雜表面的多響應(yīng)仿生驅(qū)動(dòng)器
2024-10-17  來源：高分子科技

  攀援軟機(jī)器人因其可以提供出色的靈活性、適應(yīng)性和機(jī)械堅(jiān)固性，在探索和監(jiān)測復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境方面的應(yīng)用前景廣闊，引起了越來越多的關(guān)注。盡管軟機(jī)器人在這一領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但單一響應(yīng)的軟機(jī)器人限制著機(jī)器人在平面和曲面之間靈活的轉(zhuǎn)換與過渡。因此，如何通過多場協(xié)同控制軟機(jī)器人在平坦/曲面上的攀爬，對(duì)拓展軟攀援機(jī)器人的應(yīng)用具有重大意義。


  日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)受攀援植物啟發(fā)設(shè)計(jì)了用于過渡復(fù)雜曲面的多響應(yīng)仿生驅(qū)動(dòng)器。通過將液晶彈性體（LCE）、液態(tài)金屬（LM）和磁性 Ecoflex（Mecoflex）進(jìn)行組裝，開發(fā)電/紅外（IR）光/磁多場耦合軟驅(qū)動(dòng)器（圖1）；跓崤蛎洸町惡鸵壕嘧兊膮f(xié)同效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)器可在超低電壓（1.0 V）下實(shí)現(xiàn)357°的彎曲角度。此外，通過對(duì) LCE 層中的分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒取向設(shè)計(jì)，軟驅(qū)動(dòng)器在電/光/磁單場控制下產(chǎn)生彎曲變形；在電/磁和光/磁耦合驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生彎曲或螺旋彎曲的進(jìn)一步變形；趶(fù)雜變形能力，設(shè)計(jì)了仿生攀爬植物和四足攀援機(jī)器人。通過對(duì)四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四足機(jī)器人可以在電/磁和光/磁的協(xié)同控制下實(shí)現(xiàn)平面和曲面的爬行，展現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用潛力。該工作已發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，題為“Climbing Plant‐Inspired Multi‐Responsive Biomimetic Actuator with Transitioning Complex Surfaces”。


圖1. LCE/LM/Mecoflex 軟驅(qū)動(dòng)器的制備和表征。


  在熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的變形失配和LCE中液晶分子的相變變形協(xié)同作用下，LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動(dòng)器展現(xiàn)了良好的電/光驅(qū)動(dòng)器性能（圖2a-h），驅(qū)動(dòng)器在1.0 V 驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生357°的大變形。由于釹鐵硼顆粒的硬磁特性，LCE/LM/Mecoflex 驅(qū)動(dòng)器具有可編程的驅(qū)動(dòng)性能（圖2i-l）。


圖2. LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動(dòng)器的電/光/磁驅(qū)動(dòng)性能。


  通過定制LCE 層的液晶分子取向，設(shè)計(jì)了仿生攀援驅(qū)動(dòng)器，在電/光刺激下產(chǎn)生螺旋彎曲變形，其中取向角 β 被定義為 LCE 中的取向方向與薄膜長軸之間的夾角（圖 3a）。當(dāng)取向角 0°<β<90° 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器向左產(chǎn)生螺旋彎曲變形。當(dāng)取向角 90°<β<180° 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器向右產(chǎn)生螺旋彎曲變形。


圖3. LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動(dòng)器的螺旋彎曲性能。


  通過設(shè)計(jì) LCE 層中的液晶分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒的編程磁化，軟驅(qū)動(dòng)器在電/光/磁單場控制下產(chǎn)生彎曲變形，在電/磁和光/磁耦合驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生彎曲或螺旋彎曲的進(jìn)一步變形，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的耦合變形結(jié)構(gòu)（圖4）。


圖4. LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動(dòng)器的耦合驅(qū)動(dòng)性能。


  基于LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動(dòng)器良好的電熱驅(qū)動(dòng)性能，通過對(duì)LM通路的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的順序性和選擇性驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)一步開發(fā)智能抓手和仿生攀援植物實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)則的花束的抓取和纏繞（圖5）。


圖5. LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用展示。


  最后，由于LCE/LM/Mecoflex 執(zhí)行器具有可編程的雙各向異性和多響應(yīng)性，可用于設(shè)計(jì)環(huán)境適應(yīng)性仿生四足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)類似于尺蠖的爬行運(yùn)動(dòng)。通過對(duì) “工”字結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其在平面和曲面的爬行（圖6）。


圖 6. 仿生攀援四足機(jī)器人的應(yīng)用展示。


  綜上所述，他們提出了一種受攀援植物啟發(fā)的多響應(yīng)和可編程驅(qū)動(dòng)的LCE/LM/Mecoflex 驅(qū)動(dòng)器。由于不同熱膨脹和液晶相變的協(xié)同作用，LCE/LM/Mecoflex 的變形得到了進(jìn)一步增加。通過設(shè)計(jì) LCE 層中的分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒磁化方向，LCE/LM/Mecoflex 執(zhí)行器在施加電場、紅外光場和磁場時(shí)表現(xiàn)出可逆、大且穩(wěn)定的彎曲或螺旋彎曲行為；谶@種良好的驅(qū)動(dòng)器性能，他們開發(fā)出了多種可編程軟驅(qū)動(dòng)器，它們可以在電/磁或紅外光/磁協(xié)同作用下在二維和三維結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行可逆切換。最后，一個(gè)四足機(jī)器人在平面和曲面上的爬行實(shí)驗(yàn)清楚地證明了所開發(fā)驅(qū)動(dòng)器的靈活性，為多場耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造提供了一些啟發(fā)。


  論文的第一作者為中科大工程科學(xué)學(xué)院博士研究生李文文，通訊作者為中科大工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授、宣守虎教授和香港浸會(huì)大學(xué)Ken Cham-Fai Leung associate professor。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中科大微納研究與制造中心的資助和支持。


  原文鏈接：W. Li, C. Lou, S. Liu, Q. Ma, G. Liao, K. C.-F. Leung, X. Gong, H. Ma, S. Xuan, Climbing Plant-Inspired Multi-Responsive Biomimetic Actuator with Transitioning Complex Surfaces. Adv. Funct. Mater. 2024, 2414733. https://doi.org/10.1002/adfm.202414733.

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