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能屈能伸,任意变形,SGA/PE智能材料助力软体机器人开发
2020-09-03 16:24:49来源:元素商城

受蚯蚓、章鱼、水母等自然生物的启发,科学家们开始探索制造软体机器人。软体机器人通常由柔性智能材料制备而成,如有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等等。其智能材料的性质影响着软体机器人的结构和驱动方式。开发可以将外部能量(例如热能,光能或化学能)转换为机械能以实现可控的变形驱动的软智能材料,对于无束缚软机器人的开发具有重要价值。

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究人员与香港理工大学的科研人员利用在拉伸和压缩下叠层石墨烯(SGA)会表现出不对称弹塑性,制备了一种高度可编程的智能材料,并以此制造了无束缚软体机器人,同时展示了其用于人工肌肉和可重构器件的可行性

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石墨烯是具有优异的光学、电学、力学特性的二维碳材料,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,也被认为是开发软体机器人的优异候选材料。

研究人员对堆叠石墨烯组件(SGA)的研究表明,它在拉伸下表现出高可塑性,在压缩下表现出高弹性。基于非对称弹塑性的这一发现,他们将SGA层转移到聚乙烯(PE)薄膜上得到了SGA/PE双层膜。该双层膜响应于周围温度的变化而表现出敏感的变形行为,具体来说,当环境温度升高时,它会随着SGA层的包裹而卷曲,而当温度降低到初始值时,它将变得平坦化。更有趣的是,如果将准备好的SGA/PE双层膜在受限的空间中进行加热、回火处理,它将自发卷成卷,并在其中包裹PE层。通过更改SGA膜的厚度,布局和分布,或者应用不均匀的局部回火,可以使用SGA/PE双层膜实现具有可逆变形能力的更复杂的2D和3D结构。这些说明,SGA/PE双层膜是一种具有成本效益,且可高度编程的智能材料。

得益于该材料可编程的变形行为,SGA/PE双层被用于构造各种驱动系统,例如仰卧起坐机器人,人造虹膜,人造睡莲等。更重要的是,与普通的双层执行器不同,SGA / PE双层材料可以自发卷曲成卷,甚至可以在侧向红外(IR)照明下实现滚动运动,从而产生不受束缚的软体机器人。

软体机器人可以响应各种外部刺激,形成所需的几何形状,承受机械载荷并执行推进和驱动来实现复杂的变形行为来适应各种非结构化环境,功能化应用多样,与人类的交互也更安全,该智能材料的开发对于无束缚软体机器人的开发具有重要意义。

参考文献:Wang, S., Gao, Y., Wei, A. et al. Asymmetric elastoplasticity of stacked graphene assembly actualizes programmable untethered soft robotics. Nat Commun 11, 4359 (2020).DOI: 10.1038/s41467-020-18214-0

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