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東華(hua)大學遊正偉(wei)團隊ACS Nano：具有高度靈(ling)活(huo)性的(de)三(san)維(wei)運動仿生機(ji)器(qi)人

更新(xin)時(shi)間：2022-11-18

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智能(neng)機器人(ren)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)必將(jiang)給(gei)人類(lei)的(de)日(ri)常生(sheng)活(huo)帶來壹(yi)場(chang)革命。隨(sui)著(zhe)他(ta)們(men)與(yu)復雜操作環境融(rong)合(he)的(de)要求(qiu)越(yue)來越高，柔性(xing)和可變形(xing)機(ji)器人(ren)的(de)發(fa)展(zhan)變得(de)至(zhi)關重(zhong)要。然(ran)而(er)，現有(you)的(de)機(ji)器人通常(chang)需(xu)要剛(gang)性的(de)電(dian)機泵來提(ti)供(gong)能(neng)量，並(bing)限(xian)制(zhi)了(le)其對(dui)環(huan)境的(de)適(shi)應性(xing)。全軟(ruan)體機器人由於(yu)其(qi)*的(de)適(shi)應性(xing)和友(you)好的(de)人(ren)機界(jie)面(mian)，已(yi)經引(yin)起了(le)人們(men)的(de)極(ji)大關註(zhu)。已(yi)經報道了(le)具有不同(tong)類型(xing)運動的(de)水(shui)生(sheng)軟(ruan)體機器人，如(ru)爬行(xing)、跳躍和遊泳(yong)。然(ran)而(er)，所(suo)報道的(de)三(san)維(wei)運動集(ji)中在(zai)單壹(yi)相位上(shang)，要麽是液體，要麽是空氣(qi)。沒(mei)有(you)報道與(yu)液體-空氣界(jie)面(mian)有關。由於(yu)不平(ping)衡的(de)機(ji)械環境，要在液氣兩相界(jie)面(mian)實現三(san)維(wei)運動（X、Y和Z軸）仍然(ran)是壹(yi)個(ge)艱巨的(de)挑(tiao)戰(zhan)。

東(dong)華(hua)大學遊正偉(wei)教(jiao)授(shou)團隊受(shou)半(ban)月板攀(pan)爬甲(jia)蟲(chong)幼蟲(chong)Pyrrhalta的(de)啟發(fa)，提(ti)出了(le)三相（液-固(gu)-空氣(qi)）接觸線的(de)機(ji)制(zhi)，以應對上(shang)述挑(tiao)戰(zhan)。壹(yi)個(ge)基於光敏液晶彈(dan)性(xing)體/碳納米(mi)管復(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)3D打印(yin)的(de)全(quan)軟(ruan)體機器人（名(ming)為larvobot）被開(kai)發(fa)出來。此(ci)機器(qi)人具有可重(zhong)復的(de)可編程變形(xing)和高自(zi)由度(du)的(de)運(yun)動能(neng)力，可以在液氣界(jie)面(mian)的(de)三(san)維(wei)運動，包(bao)括扭(niu)轉和滾(gun)動。通(tong)過分(fen)析幼蟲(chong)機器人沿固(gu)體-水(shui)面(mian)的(de)力(li)學原(yuan)理(li)，建(jian)立(li)了(le)運動方程(cheng)。同(tong)時，利(li)用(yong)ANSYS計(ji)算(suan)應力(li)分(fen)布(bu)，這與(yu)推(tui)測的(de)結(jie)果(guo)相吻合(he)。此(ci)外，軟(ruan)體機器人在(zai)精確(que)的(de)時(shi)空控(kong)制(zhi)下由光遠程驅動，這(zhe)為(wei)應用(yong)提(ti)供(gong)了(le)巨大(da)優(you)勢(shi)，作(zuo)者展(zhan)示了(le)軟(ruan)體機器人在(zai)封閉管(guan)道內的(de)可控(kong)運動，這(zhe)可用(yong)於(yu)藥物輸送(song)和智能(neng)運輸。相關成果(guo)以“Meniscus-Climbing System Inspired 3D Printed Fully Soft Robotics with Highly Flexible Three-Dimensional Locomotion at the Liquid–Air Interface"為題發(fa)表在ACS Nano上(shang)。第壹(yi)作(zuo)者為王(wang)洋和管(guan)清寶副(fu)研(yan)究(jiu)員。

可光聚合(he)的(de)主(zhu)鏈液晶低聚物(wu)是由反(fan)應(ying)性(xing)中間物(wu)和胺(an)連(lian)接物通過aza-Michael加(jia)成法(fa)合(he)成的(de)（圖1b），它可以最大(da)限(xian)度地(di)提(ti)高潛在(zai)的(de)致(zhi)動應(ying)變。采(cai)用(yong)無(wu)溶劑基質來拉長LCE分(fen)子來最大(da)限(xian)度地(di)減(jian)少(shao)幹燥過程(cheng)中溶劑損失引(yin)起的(de)體積變化(hua)和殘余(yu)應力(li)。在紫(zi)外光照(zhao)射下，LCE的(de)交(jiao)聯(lian)網絡是通過3D打印(yin)過程(cheng)後(hou)從活(huo)性丙烯(xi)酸(suan)酯(zhi)端(duan)基(ji)中獲(huo)得(de)（圖1a），這有(you)利(li)於(yu)保(bao)留(liu)程序(xu)化(hua)的(de)中子排列(lie)。具有高光熱轉(zhuan)換(huan)效率(lv)和對(dui)近紅(hong)外敏感(gan)的(de)CNTs被(bei)用(yong)作(zuo)關鍵部件，賦予(yu)LCE/CNTs復(fu)合(he)材(cai)料(liao)精確(que)的(de)遠(yuan)程控(kong)制(zhi)，並(bing)通(tong)過光實現方便(bian)和持(chi)續的(de)能(neng)量供應(ying)。

圖1：3D打印(yin)LCE/CNTs larvobot的(de)設(she)計(ji)

隨(sui)著(zhe)1 wt% CNTs的(de)加(jia)入，LCE/CNTs條帶的(de)表(biao)面(mian)溫度(du)在(zai)0.69秒(miao)內達到(dao)約91℃，並(bing)能(neng)在不到(dao)8秒內從25℃上(shang)升到(dao)∼260℃（圖2a）。LCE/CNTs墨(mo)水(shui)可直接寫(xie)墨(mo)打印(yin)（圖1a），在向(xiang)列(lie)相內，墨(mo)水(shui)具有剪切(qie)稀(xi)化(hua)特(te)性，墨(mo)水(shui)的(de)粘度(du)在(zai) 50-60°C 時(shi)出現(xian)了(le)急(ji)劇的(de)下降（圖 2b）。為了(le)使用(yong)直(zhi)接寫(xie)墨(mo)打印(yin)的(de)長(chang)絲(si)具有高保真(zhen)的(de)幾(ji)何形狀(zhuang)，打印(yin)溫度(du)被設定(ding)為(wei)50℃，所(suo)以LCE/CNTs墨(mo)水(shui)擁(yong)有(you)及(ji)時的(de)剪切(qie)稀(xi)化(hua)反應(ying)和合(he)適(shi)的(de)粘度(du)。單軸印(yin)刷(shua)的(de)LCE條(tiao)顯示了(le)典型(xing)的(de)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)的(de)光學特(te)性（圖2c）。不同(tong)印(yin)刷(shua)速(su)度(du)的(de)LCE條(tiao)的(de)取(qu)向(xiang)程(cheng)度(du)用(yong)X射(she)線衍射法(fa)進(jin)行(xing)了(le)表征(zheng)。結(jie)果(guo)顯示，在(zai)12mm/s的(de)印(yin)刷(shua)速(su)度(du)下，帶材(cai)可以保持適(shi)當(dang)的(de)形(xing)狀和高的(de)取(qu)向(xiang)度(du)（圖2d）。這壹(yi)事(shi)實說明(ming)從(cong)印(yin)刷(shua)註(zhu)射器(qi)中擠(ji)出的(de)LCE/CNT很(hen)容易(yi)使中間物(wu)質沿著(zhe)編程的(de)印(yin)刷(shua)路(lu)徑(jing)對齊。為了(le)了(le)解(jie)全軟(ruan)機(ji)器(qi)人在兩相界(jie)面(mian)上(shang)的(de)驅(qu)動，作(zuo)者(zhe)還(hai)研究(jiu)了(le)由雙(shuang)層(ceng)獨(du)立(li)式(shi)LCE / CNTs條帶組成的(de)幼蟲(chong)在空氣中的(de)光向(xiang)性(xing)行(xing)為(wei)。通過打開和關閉NIR光，最初(chu)的(de)扁(bian)平(ping)條帶分別可以瞬間向(xiang)上(shang)和向(xiang)下彎(wan)曲（圖1c）。

圖2：LCE/CNTs的(de)表(biao)征

除了(le)條狀(zhuang)的(de)軟(ruan)體機器人，作(zuo)者還(hai)印(yin)制(zhi)了(le)更復(fu)雜(za)的(de)結(jie)構。首先(xian)，LCE/CNTs軟(ruan)體機器人由四(si)部分(fen)組(zu)成(cheng)，具有不同(tong)的(de)長(chang)絲(si)方向(xiang)，沿同(tong)壹(yi)平(ping)面(mian)打印(yin)。上(shang)部和下部的(de)燈絲(si)傾(qing)斜了(le)±45°。當(dang)+45°的(de)部分(fen)被(bei)近(jin)紅(hong)外光照(zhao)射時(shi)，LCE/CNTs執行(xing)器(qi)向(xiang)右(you)旋(xuan)轉(zhuan)，反(fan)之(zhi)亦(yi)然(ran)（圖3a-b）。在近(jin)紅(hong)外光照(zhao)射下，由六(liu)個(ge)花(hua)瓣(ban)組(zu)成的(de)、帶有阿(e)基米(mi)德(de)螺旋(xuan)方向(xiang)的(de)花(hua)絲(si)的(de)花(hua)狀機器人(ren)正在(zai)綻放（圖3c-d）。壹(yi)個(ge)像孩(hai)子壹(yi)樣(yang)的(de)LCE/CNTs全(quan)軟(ruan)機(ji)器(qi)人被打印(yin)出來，它可以隨(sui)著(zhe)近(jin)紅(hong)外光的(de)運(yun)動而(er)跳舞（圖3e-f）。圖3g-h顯示(shi)了(le)壹(yi)個(ge)網狀的(de)LCE/CNTs全(quan)軟(ruan)體機器人，其(qi)分子方向(xiang)是通過直(zhi)接書寫(xie)墨(mo)水(shui)來控(kong)制(zhi)的(de)。該(gai)網狀全軟(ruan)機(ji)器(qi)人由雙(shuang)層(ceng)絲(si)組(zu)成(cheng)，壹(yi)層(ceng)的(de)方向(xiang)與(yu)另(ling)壹(yi)層(ceng)垂直(zhi)甚(shen)至(zhi)相反。與(yu)整個薄(bo)膜的(de)旋(xuan)轉或彎(wan)曲不同(tong)，這種(zhong)網狀全軟(ruan)機(ji)器(qi)人在X-Y平(ping)面(mian)上(shang)表現(xian)出由近(jin)紅(hong)外光遠程控(kong)制(zhi)的(de)定(ding)點(dian)收(shou)縮。

圖3.基於(yu)空(kong)氣(qi)中LCE/CNT的(de)全(quan)軟(ruan)機(ji)器(qi)人的(de)可編程空(kong)間運(yun)動

隨(sui)後(hou)，作者(zhe)探索了(le)方向(xiang)控(kong)制(zhi)和推(tui)進(jin)的(de)機(ji)理，並(bing)嘗(chang)試了(le)力學分析（圖4d）。在近(jin)紅(hong)外光照(zhao)射下，實現了(le)幼蟲(chong)機器人的(de)自(zi)由泳(yong)。幼蟲(chong)機器人隨(sui)時(shi)間推(tui)移的(de)實際位移(yi)和角速(su)度如(ru)圖4 g-h所(suo)示，這證(zheng)實了(le)圖4c中描(miao)述(shu)的(de)模(mo)型。值(zhi)得(de)壹(yi)提(ti)的(de)是，在1s內暴露於(yu)NIR光後(hou)立(li)即(ji)開始運(yun)動，這(zhe)與(yu)空氣中的(de)光熱驅(qu)動壹(yi)致(zhi)（圖4f）。

在定(ding)向(xiang)光暴露時(shi)，蜘(zhi)蛛(zhu)狀(zhuang)全軟(ruan)機(ji)器(qi)人在液-空氣(qi)界(jie)面(mian)的(de)運(yun)動如(ru)圖4j所(suo)示。當(dang)近紅(hong)外光投射到遠離蜘(zhi)蛛(zhu)狀(zhuang)軟(ruan)機(ji)器(qi)人幾何中心(xin)的(de)左(zuo)腿(tui)時(shi)，暴露部位的(de)溫(wen)度達到了(le)向(xiang)列(lie)到(dao)各向(xiang)同(tong)性(xing)的(de)過渡點(dian)（TN-I），並(bing)產(chan)生(sheng)向(xiang)光的(de)彎(wan)曲。因(yin)此(ci)，蜘(zhi)蛛(zhu)狀(zhuang)軟(ruan)機(ji)器(qi)人上(shang)的(de)力(li)失衡，使其右轉(zhuan)。同(tong)樣(yang)，當(dang)NIR光照(zhao)射到(dao)右側時，蜘(zhi)蛛(zhu)狀(zhuang)的(de)軟(ruan)機(ji)器(qi)人向(xiang)左(zuo)轉(zhuan)。當(dang)左右(you)輪(lun)流(liu)照(zhao)射時(shi)，機器人會直線向(xiang)前(qian)移(yi)動而(er)不是轉彎(wan)。除了(le)二(er)維(wei)運動外，基於(yu)LCE/CNTs的(de)幼蟲(chong)機器人還(hai)表現(xian)出在(zai)液-空氣(qi)界(jie)面(mian)處的(de)三(san)維(wei)運動能(neng)力。作者(zhe)還(hai)打印(yin)了(le)壹(yi)個(ge)較(jiao)小(xiao)的(de)larvobot，放置(zhi)在直(zhi)徑為15毫(hao)米(mi)的(de)封(feng)閉玻璃(li)管中，由於(yu)光線的(de)穿(chuan)透，身體可以自(zi)由旋(xuan)轉(zhuan)，並(bing)在(zai)3.5秒(miao)內旋轉(zhuan)360°（圖4i）。

圖4. larvobot機器(qi)人(ren)的(de)機(ji)械分析

為(wei)了(le)理解(jie)軟(ruan)機(ji)器(qi)人在液-空氣(qi)界(jie)面(mian)的(de)運(yun)動，通(tong)過沿三(san)相接觸線改(gai)變角度(du)來誘導表面(mian)張力(li)差(cha)，從而建(jian)立(li)了(le)運動機(ji)制(zhi)。在(zai)此(ci)過程(cheng)中，幼蟲(chong)的(de)運(yun)動由浮(fu)力Fb和表(biao)面(mian)張力(li)FT (圖4b）控(kong)制(zhi)。當(dang)近紅(hong)外光照(zhao)射在(zai)幼蟲(chong)機器人上(shang)時，該(gai)過程(cheng)可分為(wei)墜落(luo)、遊泳(yong)和離開(kai)。如(ru)圖5所(suo)示a（i和iv），力(li)（fL）的(de)Larvobot在(zai)落下和離開(kai)的(de)某(mou)個時刻接近平(ping)衡，這與圖4e中的(de)分(fen)析相似(si)。在遊泳(yong)過程(cheng)中（圖5a），暴露於(yu)近(jin)紅(hong)外光時會產生幼蟲(chong)機器人的(de)各(ge)種變形(xing)，導(dao)致表(biao)面(mian)張力(li)和水(shui)平(ping)面(mian)之(zhi)間的(de)角度(du)和長(chang)度可變，這(zhe)主(zhu)要歸(gui)因(yin)於超出半(ban)月板攀(pan)爬甲(jia)蟲(chong)幼蟲(chong)Pyrrhalta的(de)內在運(yun)動的(de)三(san)維(wei)運動（圖1d和圖5b）

作者(zhe)又進(jin)壹(yi)步(bu)論(lun)證(zheng)了(le)三相接觸線的(de)機(ji)理。隨(sui)著(zhe)沿接觸線的(de)傾(qing)斜度(du)變化(hua)，FT運動方向(xiang)增加，這使得(de)幼蟲(chong)機器人遊得(de)比(bi)以前更快(kuai)。矢(shi)量圖和速(su)度的(de)nephogram在(zai)計(ji)算(suan)域(yu)中給(gei)出（圖5c-d）。幼蟲(chong)機器人的(de)橫(heng)向(xiang)毛(mao)細管(guan)力(li)在(zai)被光照(zhao)射之(zhi)前(qian)沿三(san)相接觸線均勻分(fen)布(bu)。照(zhao)射後(hou)，幼蟲(chong)的(de)力(li)分布(bu)主要集中在(zai)照(zhao)射區(qu)域(yu)（圖5e）。事(shi)實證(zheng)明，幼蟲(chong)在液-空氣(qi)界(jie)面(mian)處的(de)多(duo)維(wei)運動是由表(biao)面(mian)張力(li)的(de)差(cha)異引起(qi)的(de)，這(zhe)與力學分析壹(yi)致(zhi)。

圖5.在 larvobot 的(de)三(san)維(wei)卷起(qi)中進(jin)行(xing)運(yun)動學分析和有(you)限元(yuan)模(mo)擬

小(xiao)結(jie)：綜上(shang)所(suo)述，全軟(ruan)機(ji)器(qi)人在液-空氣(qi)界(jie)面(mian)的(de)多(duo)模(mo)運動是通過構(gou)建模(mo)仿半(ban)月板攀(pan)爬甲(jia)蟲(chong)幼蟲(chong)Pyrrhalta的(de)三(san)相接觸線差(cha)分來實現的(de)。功(gong)能(neng)性LCE / CNTs復合(he)材(cai)料(liao)與3D打印(yin)技術(shu)相結合(he)，可實現所(suo)得(de)結(jie)構的(de)高度自(zi)由度(du)和可編程運(yun)動，甚(shen)至(zhi)在(zai)液 - 空氣(qi)界(jie)面(mian)處超越(yue)天然(ran)甲(jia)蟲(chong)幼蟲(chong)Pyrrhalta的(de)三(san)維(wei)卷起(qi)。此(ci)外，光熱材(cai)料(liao)通過簡(jian)單的(de)光照(zhao)射實現時(shi)空(kong)可控(kong)的(de)運(yun)動和連(lian)續(xu)的(de)能(neng)量供應(ying)。通過結(jie)合(he)各種功能(neng)填(tian)充物(wu)、編程方向(xiang)、圖案和三(san)維(wei)結構(gou)，可以進(jin)壹(yi)步(bu)改(gai)變運(yun)動。這(zhe)項(xiang)工(gong)作中開(kai)發(fa)的(de)設(she)計(ji)原(yuan)理(li)和材(cai)料(liao)將激發(fa)下壹(yi)代功(gong)能(neng)性軟(ruan)機(ji)器(qi)人的(de)靈(ling)感。

上(shang)壹(yi)條(tiao)具有高運動精度(du)和高輸出力(li)可變形(xing)磁(ci)流(liu)體機器人
下壹(yi)條(tiao)可回收(shou)且(qie)可重(zhong)復DLP-3D打印(yin)的(de)生(sheng)物基光敏樹脂(zhi)