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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)動器
2024-10-17  來源:高分子科技

  攀援軟機器人因其可以提供出色的靈活性、適應(yīng)性和機械堅固性,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)的軟機器人限制著機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)同控制軟機器人在平坦/曲面上的攀爬,對拓展軟攀援機器人的應(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)隊受攀援植物啟發(fā)設(shè)計了用于過渡復(fù)雜曲面的多響應(yīng)仿生驅(qū)動器。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)動器(圖1);跓崤蛎洸町惡鸵壕嘧兊膮f(xié)同效應(yīng),驅(qū)動器可在超低電壓(1.0 V)下實現(xiàn)357°的彎曲角度。此外,通過對 LCE 層中的分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒取向設(shè)計,軟驅(qū)動器在電/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)計了仿生攀爬植物和四足攀援機器人。通過對四足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,四足機器人可以在電/磁和光/磁的協(xié)同控制下實現(xiàn)平面和曲面的爬行,展現(xiàn)機器人在復(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)動器展現(xiàn)了良好的電/光驅(qū)動器性能(圖2a-h),驅(qū)動器在1.0 V 驅(qū)動電壓下產(chǎn)生357°的大變形。由于釹鐵硼顆粒的硬磁特性,LCE/LM/Mecoflex 驅(qū)動器具有可編程的驅(qū)動性能(圖2i-l)。


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


  通過定制LCE 層的液晶分子取向,設(shè)計了仿生攀援驅(qū)動器,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,驅(qū)動器向左產(chǎn)生螺旋彎曲變形。當(dāng)取向角 90°<β<180° 時,驅(qū)動器向右產(chǎn)生螺旋彎曲變形。


圖3. LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動器的螺旋彎曲性能。


  通過設(shè)計 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)動下產(chǎn)生彎曲或螺旋彎曲的進(jìn)一步變形,實現(xiàn)復(fù)雜的耦合變形結(jié)構(gòu)(圖4)。


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


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


圖5. LCE/LM/Mecoflex驅(qū)動器的應(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)計環(huán)境適應(yīng)性仿生四足機器人,實現(xiàn)類似于尺蠖的爬行運動。通過對 “工”字結(jié)構(gòu)的四足機器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)其在平面和曲面的爬行(圖6)。


圖 6. 仿生攀援四足機器人的應(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)動的LCE/LM/Mecoflex 驅(qū)動器。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 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)動器性能,他們開發(fā)出了多種可編程軟驅(qū)動器,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,一個四足機器人在平面和曲面上的爬行實驗清楚地證明了所開發(fā)驅(qū)動器的靈活性,為多場耦合驅(qū)動機器人的設(shè)計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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