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西湖大學(xué)呂久安團(tuán)隊 AFM：在可控高速柔性執(zhí)行器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
2022-11-24  來源：中國聚合物網(wǎng)

  高速柔性執(zhí)行器技術(shù)是開發(fā)高性能軟體機(jī)器人和高能量柔性激發(fā)器件的核心技術(shù)。但是目前的高速柔性執(zhí)行器，一旦完成了執(zhí)行器的合成和組裝，高速運動行為將無法調(diào)控。受自然界蕨類植物可控高速釋放孢子機(jī)制的啟發(fā)，西湖大學(xué)呂久安團(tuán)隊設(shè)計制備了具有結(jié)構(gòu)化約束的新型高速柔性執(zhí)行器，實現(xiàn)了對高速運動行為的精確調(diào)控和自由編程。該研究工作以“Leveraging Bioinspired Structural Constraints for Tunable and Programmable Snapping Dynamics in High-Speed Soft Actuators”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。論文第一作者是浙江大學(xué)-西湖大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生王蛟，西湖大學(xué)工學(xué)院智能高分子團(tuán)隊的吳慧敏助理研究員和呂久安特聘研究員為通訊作者。

 



  柔性材料固有的粘彈性能，導(dǎo)致人工合成的柔性執(zhí)行器往往變現(xiàn)出緩慢、低速的運動。而自然界的動植物具有一種能量放大機(jī)制—突跳（snapping）機(jī)制，可以驅(qū)動柔性的生物體產(chǎn)生快速、高能量的運動，從而實現(xiàn)高速捕食、逃跑、避障、傳播種子。例如，捕蠅草為捕獲落在葉片上的昆蟲，能在十分之一秒內(nèi)快速關(guān)閉葉片；癭蚊幼蟲(Asphondylia) 為躲避捕食者，可以先通過彎曲身體積累足夠的能量，并瞬間釋放能量以實現(xiàn)快速跳高逃離捕食者。近年來，生物突跳機(jī)制啟發(fā)科學(xué)家們設(shè)計開發(fā)了快速運動的柔性刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)。然而對于已報道的高速運動的柔性人工材料系統(tǒng)，一旦執(zhí)行器完成了合成和組裝，突跳高速運動行為（運動速度、運動方向等）將無法動態(tài)調(diào)制，因此急需開發(fā)出高速運動行為可調(diào)節(jié)可編程的新型智能材料系統(tǒng)。 


圖1基于結(jié)構(gòu)約束的蕨類孢子囊突跳機(jī)制的仿生設(shè)計原理。a） 蕨類孢子囊（Polypodium aureum）的獨特彈射機(jī)制。b）具有仿生自約束鰭狀陣列結(jié)構(gòu)的光控高速柔性執(zhí)行器示意圖。


  智能高分子團(tuán)隊從植物的可控高速運動機(jī)制中獲得了設(shè)計靈感。在蕨類植物中，發(fā)射孢子的“彈射器”是一種高效的孢子傳播“工具”。脫水時，孢子囊打開并儲存彈性勢能，隨后可控釋放儲存的彈性能，以一種類似于投石車的機(jī)制發(fā)射孢子（圖1a）。與人造投石車激發(fā)控制機(jī)制不同的是，人造的投石車需要一個位于運動路徑的擋桿來實現(xiàn)可控?fù)跬１蹌，從而調(diào)控發(fā)射方向和能量大小。缺少橫桿的投石車會將發(fā)射的彈藥投向原地，無法控制發(fā)射方向?qū)е掳l(fā)射失敗。而孢子囊則采用了一種截然不同的可控高速發(fā)射機(jī)制，利用了類似手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的多孔彈性損耗，可以起到類似投石車擋桿的作用。打開的孢子囊在釋放彈性能高速運動的過程中因為多孔彈性損耗而突然剎停，將孢子以超過10 m·s-1的速度朝可控方向彈射出去。 


圖2 由可重構(gòu)約束結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的可控突跳行為。a） 結(jié)構(gòu)化柔性執(zhí)行器的制備過程。b） 柔性執(zhí)行器的運動停止行為。c） 具有不同數(shù)量被約束鰭的結(jié)構(gòu)化柔性執(zhí)行器的最大張角。d） 具有不同數(shù)量被約束鰭的結(jié)構(gòu)化柔性執(zhí)行器的光致彈性能和發(fā)射速度。


  受蕨類孢子囊通過手風(fēng)琴狀的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的物理約束實現(xiàn)可控高速運動的啟發(fā)，智能高分子團(tuán)隊設(shè)計了具有鰭狀（fin-shaped） 微陣列結(jié)構(gòu)的高速柔性執(zhí)行器，其高速運動行為可以通過受約束的鰭微結(jié)構(gòu)的數(shù)量和位置來進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)和編程。這種結(jié)構(gòu)化的柔性執(zhí)行器不僅可以通過改變致動器的局部彎曲剛度來改變其存儲的彈性能量，還能夠操控高速運動的方向和大小。可控的結(jié)構(gòu)化執(zhí)行器展示出高速移動速度(發(fā)射速度2.5 m·s?1，跳躍速度0.22 m·s?1)，超長彈射距離和彈跳高度(彈射距離≈ 20 cm，彈丸重量35 mg；彈跳高度≈ 8 cm，是執(zhí)行器自身長度的40倍)，這是現(xiàn)有已報道的柔性執(zhí)行器難以實現(xiàn)的可控高速運動。 


圖3 光控柔性彈射器在近紅外光驅(qū)動下將球（35 mg）投入距離為12 cm，高度為2 cm籃筐中。


 圖4 光控跳躍機(jī)器人。a） 光控跳躍的照片。b）被約束鰭的數(shù)量對跳躍柔性執(zhí)行器的跳躍高度和初始速度的影響。c）執(zhí)行器光控跳上高臺。d）柔性執(zhí)行器光控高速跨越障礙物。 


  該系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)化約束精確調(diào)控柔性執(zhí)行器的發(fā)射或跳躍角度和高度、運動速度以及釋放的應(yīng)力，實現(xiàn)了可控彈射運動和可編程跳躍運動，甚至表現(xiàn)出在空間多方向受控的高速彈射和跳躍行為。智能高分子團(tuán)隊的研究提供了一種基于可重構(gòu)約束結(jié)構(gòu)的高速運動調(diào)控策略，能夠高效地實現(xiàn)柔性執(zhí)行器可控可調(diào)的高速運動行為。


  原文鏈接：

  Wang J., Zhao T.H., Fan Y.Y., Wu H.M.*, Lv J.A.*. Leveraging Bioinspired Structural Constraints for Tunable and Programmable Snapping Dynamics in High-Speed Soft Actuators. Adv. Funct. Mater. 2022, 2209.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202209798


智能高分子材料實驗室

  西湖大學(xué)呂久安實驗室（智能高分子材料實驗室）的研究領(lǐng)域是智能形變高分子材料及其功能器件，智能高分子團(tuán)隊關(guān)注柔性材料或器件的形狀變化所帶來的功能。智能高分子團(tuán)隊的研究涉及1）光致形變液晶高分子材料，2）柔性執(zhí)行器，3）光控微流體。詳細(xì)信息請查看智能高分子團(tuán)隊網(wǎng)站http://www.jiu-anlvlab.cn/

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