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華南理工大學江賽華教授課題組 Small:可光-熱雙模式協(xié)同作用驅(qū)動的意大利面結(jié)構(gòu)軟機器人
2023-12-11  來源:高分子科技

  液晶彈性體(LCE)在多種外界刺激下進行致動的行為可稱作LCE的多模式驅(qū)動,相比于單模式驅(qū)動,它擁有更多樣的致動方式以及更廣泛的應用場景。然而,在這種多模式驅(qū)動下,每種驅(qū)動的模式通常是相互獨立的,這限制了驅(qū)動器運動的諸多可能性。


  近日,來自華南理工大學江賽華教授團隊的研究者們制備了一種外形類似意大利面的軟體機器人,基于MXene摻雜的LCE實現(xiàn)了不同驅(qū)動模式之間的協(xié)同作用,其驅(qū)動可以通過加熱/冷卻或利用MXene的光熱效應通過近紅外光照射來實現(xiàn),兩種驅(qū)動模式(熱激活和光激活)不僅可以單獨工作,也可以協(xié)同運作,從而產(chǎn)生更多樣、智能的運動,例如實現(xiàn)自主滾動的剎車和轉(zhuǎn)向,或幫助軟體機器人更快速地逃離迷宮。近日,該工作以Rotini-like MXene@LCE Actuator with Diverse and Programmable Actuation Based on Dual-mode Synergy為題發(fā)表在《Small雜志上,第一作者為華南理工大學機械與汽車工程學院的碩士生梁梓維,其他共同作者包括金斌杰、趙皓天、何鎮(zhèn)華、蔣漳河,文章通訊作者為江賽華教授。該工作得到國家自然科學基金和廣東省自然科學基金等支持


  這種軟體機器人由熱響應軟材料LCE制備而成,引入的高效光熱效應的MXene材料賦予了其光響應的能力,當機器人受到外界刺激時(光或熱),由于受熱部分的局部收縮,軟體機器人得以自行翻轉(zhuǎn)并向前滾動(圖1 a),其滾動方向總是其質(zhì)心相對于自身長軸偏移的方向,即彎曲結(jié)構(gòu)的外部方向(圖1 bc)。 


軟機器人驅(qū)動原理示意圖


  值得注意的是,與一般的多模式驅(qū)動不同,該軟體機器人的驅(qū)動不僅可以分別由光和熱單獨觸發(fā),也可以在二者的協(xié)同作用下進行,其主要的表現(xiàn)形式為:在響應直接熱刺激而自主滾動的基礎上,可利用近紅外光多樣化機器人的運動模式,例如實現(xiàn)軟機器人滾動的剎車、折返和加速等(圖23)。 


-熱雙模式驅(qū)動及協(xié)同作用示意圖 


-熱雙模式協(xié)同作用下機器人的折返與剎車


  除此之外,光-熱雙模式協(xié)同作用還能夠指導并優(yōu)化機器人的滾動路線,幫助機器人更快速地逃離迷宮,相比單模式熱驅(qū)動,逃逸時間縮短了67%(圖4)。 


軟機器人逃離迷宮對比實驗


  該工作可以為雙模式驅(qū)動軟機器人的設計、制造和應用提供一些靈感和思路。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305371


通訊作者簡介


  江賽華,華南理工大學機械與汽車工程學院,2014年博士畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室,同年獲得香港城市大學聯(lián)合培養(yǎng)博士學位,曾在2017-2020年間于賓夕法尼亞大學從事博士后研究工作。在軟體驅(qū)動、智能傳感、綠色阻燃等方面從事了多年研究工作。近年來主持國家自然科學基金(2項)、廣東省自然科學基金(3項)、科技部國家重點研發(fā)計劃項目專題(1項)、國家重點研發(fā)計劃專題(1項)、廣州市人才項目“珠江科技新星”、國家重點實驗室開放基金等國家/省部級科研項目15項,多次以主要研究骨干身份參與“973”項目與國家重點研發(fā)計劃項目。目前共發(fā)表SCI收錄學術(shù)論文110篇,其中以第一或通訊作者身份在Nano Energy, Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials &Interfaces, Journal of Colloid and Interface Science, Composites Part B:Engineering 等國際期刊發(fā)表論文54篇,研究論文獲得同行積極評價(引用數(shù)累計超過4000次,h-index為35。申請國家發(fā)明專利33項,授權(quán)17項,登記軟著1項,省部級科技成果登記1件。)

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