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能模仿多種生物運動的“Janus”軟體液晶機器人
2019-07-18  來源:高分子科技
關鍵詞:液晶機器人 Janus

  在自然界中,軟體生物(如:蚯蚓,章魚,青蟲等)廣泛分布于土壤,海水及河流中。經過萬億年的自然優化,這類生物具有變形大,形變多樣,適應能力強等特點,可以使其通過改變身體形狀在復雜多變的環境中高效運動。近年來,研究者從軟體動物獲得靈感,設計出了一系列軟體機器人。與傳統的硬質機器人相比,軟體機器人由可承受大應變的軟體材料組成,具有高自由度和連續變形的能力,可適應外界環境實現抓取,爬行,蠕動等運動。因此,這類機器人在感應及探測等領域都有廣泛的應用前景。目前,軟體機器人的研究仍然處于初級階段,使用簡潔有效的方法制造出驅動行為多樣并且環境適應力強的軟體機器人仍面臨諸多挑戰。

圖一 (a)單軸取向液晶高分子交聯網絡的化學式 (b)電刺激液晶驅動器的組成(c)在電刺激下驅動器的大幅度可逆彎曲形變。

  最近,加拿大舍布魯克大學趙越教授團隊設計出了一種能模擬多種生物運動的“雙面神(Janus)”軟體機器人。制造這種機器人使用的核心材料是該團隊之前研制出的單軸取向液晶高分子交聯網絡(LCNs)。該液晶高分子材料力學性能優異,并能通過可逆熱致相變,實現大幅度可逆形變。在這項研究中,作者將一根極細的鎳鉻合金電阻絲用聚酰亞胺膠帶(Kapton)粘附在取向液晶高分子上,制備出了一個雙層結構的電刺激液晶驅動器。當電阻絲接入電路時,電阻絲產生的焦耳熱能夠引起液晶材料的相變,從而引起驅動器的可逆形變(圖一)。

圖二 由電響應液晶驅動器構成的自鎖型夾具。

  與此同時,作者發現這種電刺激的軟體驅動器的原始形狀能夠被輕易的編輯或者重新編輯成任意的三維結構。因此,同一驅動器能夠實現各種不同的復雜三維形變;谶@一性能,這種驅動器還能被巧妙地設計成提起并放下重物的自鎖型夾具(圖二)。

圖三 由一個電路構成的“雙面神”軟體機器人。(a,b)波浪形Janus機器人可以像毛毛蟲一樣通過兩端交替拱起與伸直向前爬行。(c,d)螺旋狀Janus機器人則可以通過兩端交替地形成螺旋和解螺旋來模擬蚯蚓的運動。

  基于這些優異的功能,這種電刺激的液晶驅動器被作者成功開發成新型“雙面神“軟體機器人。由于Kapton分布在同一液晶聚合物膜兩端的上下兩面,該機器人被分為兩部分。在均勻的刺激源作用下,兩部分被同時驅動,但驅動方向或運動模式相反。這種機器人可以模仿多種生物的運動方式(圖三)。

圖四 由兩個電路構成的“雙面神”軟體機器人。(a,b)將兩個驅動器疊成“X”狀,當調節輸入電波的模式時,機器人可以像四肢動物那樣爬行。(c,d)當兩個蜷曲的驅動器連接于紙箱上時,能模仿人類雙腳直立行走并推動箱子的軟體機器人。

  更為有意思的是,基于多個驅動器并控制多個電路,這種機器人還能實現更為復雜的運動方式(圖四)。

  作者報道的“Janus“軟體機器人設計簡潔精巧,功能強大多樣,能夠為未來機器人領域的發展提供新的設計思路。該論文以“Biomimetic Locomotion of Electrically Powered “Janus” Soft Robots Using a Liquid Crystal Polymer” 發表在材料領域頂級期刊《先進材料》(Adv. Mater. 2019, 1903452)上,并當選為封面論文。論文第一作者及共同一作分別為舍布魯克大學博士生肖堯予江智超,舍布魯克大學趙越教授為通訊作者。該項研究工作得到了加拿大自然科學與工程研究基金(NSERC),中國留學生基金委(CSC)等支持。

  通訊作者簡介:趙越,加拿大舍布魯克大學教授,四川大學“長江學者”講座教授,加拿大化學化工學會會士。多年來致力于液晶高分子,刺激響應高分子及自組裝功能材料等方向的研究。在JACS,Angewandte,Adv.Mater.等知名期刊上累計發表論文200余篇,引用次數達12000余次。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201903452

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(責任編輯:xu)
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