智(zhi)能(neng)機(ji)器人的快(kuai)速發(fa)展必將給人類的(de)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)帶(dai)來(lai)壹(yi)場革(ge)命。隨(sui)著(zhe)他們與復雜(za)操(cao)作(zuo)環境(jing)融(rong)合(he)的(de)要求越來越高,柔性(xing)和可變形(xing)機(ji)器人的發(fa)展變(bian)得至關重(zhong)要。然而,現(xian)有的機(ji)器人通常(chang)需(xu)要剛性的電機(ji)泵來(lai)提(ti)供能量(liang),並限制(zhi)了(le)其對(dui)環境(jing)的適(shi)應(ying)性。全(quan)軟體機(ji)器人由於(yu)其(qi)*的(de)適(shi)應(ying)性和友好(hao)的人機(ji)界面(mian),已(yi)經(jing)引(yin)起了(le)人們的極大關(guan)註(zhu)。已(yi)經(jing)報(bao)道(dao)了(le)具有不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)運動(dong)的水生(sheng)軟(ruan)體機(ji)器人,如爬(pa)行(xing)、跳躍和遊(you)泳(yong)。然(ran)而(er),所(suo)報(bao)道(dao)的三(san)維運動(dong)集(ji)中(zhong)在單(dan)壹相(xiang)位上(shang),要麽是液體,要麽是空(kong)氣。沒(mei)有報(bao)道(dao)與液體-空(kong)氣界(jie)面(mian)有關。由(you)於(yu)不(bu)平衡(heng)的機(ji)械環(huan)境(jing),要在液氣兩(liang)相(xiang)界面(mian)實現三(san)維(wei)運動(dong)(X、Y和Z軸(zhou))仍然(ran)是壹(yi)個(ge)艱(jian)巨(ju)的挑戰。
東華大(da)學(xue)遊(you)正(zheng)偉教授團隊(dui)受半月板攀爬(pa)甲蟲幼蟲Pyrrhalta的啟(qi)發(fa),提出(chu)了(le)三相(xiang)(液-固(gu)-空(kong)氣)接(jie)觸(chu)線(xian)的機(ji)制(zhi),以(yi)應(ying)對上(shang)述挑戰(zhan)。壹(yi)個基於(yu)光(guang)敏液晶彈(dan)性(xing)體/碳納米管復合(he)材(cai)料(liao)的(de)3D打印(yin)的(de)全軟(ruan)體機(ji)器人(名(ming)為larvobot)被(bei)開發(fa)出(chu)來。此(ci)機(ji)器人具有可重(zhong)復的(de)可(ke)編(bian)程變(bian)形(xing)和高自由度(du)的(de)運動(dong)能力(li),可以(yi)在液氣界(jie)面(mian)的三(san)維運動(dong),包(bao)括(kuo)扭轉(zhuan)和滾(gun)動(dong)。通過分析幼蟲機(ji)器人沿固(gu)體(ti)-水(shui)面(mian)的力(li)學原理,建(jian)立了(le)運動(dong)方(fang)程。同(tong)時(shi),利用ANSYS計(ji)算(suan)應(ying)力(li)分布(bu),這(zhe)與(yu)推測的(de)結果(guo)相(xiang)吻合(he)。此(ci)外,軟(ruan)體(ti)機(ji)器人在精(jing)確(que)的(de)時(shi)空(kong)控制(zhi)下由(you)光(guang)遠(yuan)程驅動(dong),這(zhe)為應(ying)用提(ti)供了(le)巨(ju)大優(you)勢(shi),作(zuo)者展示(shi)了(le)軟體(ti)機(ji)器人在封(feng)閉管道(dao)內(nei)的(de)可控運動(dong),這(zhe)可(ke)用於藥物(wu)輸(shu)送(song)和智能運輸(shu)。相(xiang)關(guan)成果(guo)以(yi)“Meniscus-Climbing System Inspired 3D Printed Fully Soft Robotics with Highly Flexible Three-Dimensional Locomotion at the Liquid–Air Interface"為題(ti)發(fa)表(biao)在ACS Nano上(shang)。第壹作(zuo)者為王(wang)洋(yang)和管清寶副(fu)研究(jiu)員(yuan)。
可光(guang)聚(ju)合(he)的(de)主鏈(lian)液晶低聚物(wu)是(shi)由(you)反(fan)應(ying)性中(zhong)間物(wu)和胺連接(jie)物(wu)通過aza-Michael加(jia)成法合成的(圖(tu)1b),它(ta)可(ke)以(yi)最大限(xian)度(du)地(di)提(ti)高(gao)潛(qian)在的致動(dong)應(ying)變。采(cai)用無溶(rong)劑基質(zhi)來拉長(chang)LCE分(fen)子來最大限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)幹燥(zao)過程中(zhong)溶(rong)劑損失(shi)引(yin)起的體(ti)積(ji)變化(hua)和殘余(yu)應(ying)力(li)。在紫外光(guang)照(zhao)射(she)下,LCE的(de)交聯網絡是(shi)通過3D打印(yin)過程後(hou)從(cong)活性(xing)丙烯(xi)酸酯端(duan)基中(zhong)獲得(圖(tu)1a),這(zhe)有利於(yu)保(bao)留程序化(hua)的中(zhong)子排列(lie)。具有高光(guang)熱轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)和對近紅外(wai)敏感的(de)CNTs被(bei)用(yong)作(zuo)關鍵(jian)部(bu)件,賦予(yu)LCE/CNTs復合(he)材(cai)料(liao)精(jing)確(que)的(de)遠程控(kong)制(zhi),並通過光(guang)實現方(fang)便和持續的能(neng)量(liang)供應(ying)。
圖(tu)1:3D打印(yin)LCE/CNTs larvobot的(de)設計(ji)隨(sui)著(zhe)1 wt% CNTs的(de)加(jia)入(ru),LCE/CNTs條帶(dai)的(de)表(biao)面(mian)溫度(du)在0.69秒內(nei)達到約(yue)91℃,並能在(zai)不(bu)到8秒(miao)內(nei)從(cong)25℃上升到∼260℃(圖(tu)2a)。LCE/CNTs墨水可(ke)直(zhi)接寫(xie)墨打印(yin)(圖(tu)1a),在(zai)向列相(xiang)內(nei),墨水具有剪切稀化(hua)特(te)性(xing),墨水的(de)粘(zhan)度在(zai) 50-60°C 時(shi)出(chu)現了(le)急劇(ju)的下降(圖(tu) 2b)。為了(le)使(shi)用直(zhi)接寫(xie)墨打印(yin)的(de)長絲(si)具有高保(bao)真(zhen)的(de)幾(ji)何形(xing)狀(zhuang),打印(yin)溫(wen)度被(bei)設(she)定為50℃,所(suo)以(yi)LCE/CNTs墨水擁有及時(shi)的(de)剪切稀化(hua)反應(ying)和合適(shi)的(de)粘(zhan)度。單(dan)軸(zhou)印刷(shua)的LCE條顯示(shi)了(le)典(dian)型(xing)的各向異(yi)性的光(guang)學(xue)特(te)性(xing)(圖(tu)2c)。不(bu)同(tong)印(yin)刷速度(du)的(de)LCE條的(de)取(qu)向(xiang)程度(du)用(yong)X射線(xian)衍射(she)法進(jin)行(xing)了(le)表(biao)征(zheng)。結果(guo)顯示(shi),在12mm/s的印刷速度下,帶(dai)材(cai)可(ke)以(yi)保(bao)持適(shi)當(dang)的(de)形(xing)狀(zhuang)和高的取(qu)向(xiang)度(du)(圖(tu)2d)。這(zhe)壹(yi)事實說(shuo)明從(cong)印刷註(zhu)射器(qi)中(zhong)擠出(chu)的LCE/CNT很容易(yi)使(shi)中(zhong)間物(wu)質(zhi)沿著(zhe)編(bian)程的(de)印(yin)刷路(lu)徑對齊。為了(le)了(le)解全(quan)軟機(ji)器人在兩(liang)相(xiang)界(jie)面(mian)上的(de)驅動(dong),作(zuo)者還研究(jiu)了(le)由雙(shuang)層獨立式LCE / CNTs條帶(dai)組成的幼蟲在空(kong)氣中(zhong)的光(guang)向(xiang)性(xing)行(xing)為。通過打開和關閉NIR光(guang),最初的(de)扁(bian)平條帶(dai)分(fen)別可以(yi)瞬間(jian)向(xiang)上(shang)和向下彎(wan)曲(qu)(圖(tu)1c)。圖(tu)2:LCE/CNTs的(de)表(biao)征(zheng)除了(le)條狀(zhuang)的軟(ruan)體(ti)機(ji)器人,作(zuo)者還印制(zhi)了(le)更(geng)復雜(za)的結構(gou)。首先(xian),LCE/CNTs軟體(ti)機(ji)器人由四(si)部(bu)分組成,具有不(bu)同(tong)的(de)長絲方(fang)向,沿(yan)同(tong)壹(yi)平面(mian)打印(yin)。上(shang)部(bu)和下部(bu)的燈絲(si)傾(qing)斜(xie)了(le)±45°。當+45°的(de)部(bu)分被(bei)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)照(zhao)射(she)時(shi),LCE/CNTs執行(xing)器向(xiang)右(you)旋轉(zhuan),反之(zhi)亦然(圖(tu)3a-b)。在(zai)近紅外(wai)光(guang)照(zhao)射(she)下,由(you)六(liu)個(ge)花瓣(ban)組成的、帶(dai)有阿(e)基米德螺旋方(fang)向的(de)花絲(si)的花狀(zhuang)機(ji)器人正在(zai)綻(zhan)放(圖(tu)3c-d)。壹(yi)個像孩子壹樣(yang)的LCE/CNTs全(quan)軟(ruan)機(ji)器人被(bei)打印(yin)出(chu)來,它(ta)可(ke)以(yi)隨(sui)著(zhe)近(jin)紅外光(guang)的(de)運(yun)動(dong)而跳舞(wu)(圖(tu)3e-f)。圖(tu)3g-h顯示(shi)了(le)壹個(ge)網狀(zhuang)的LCE/CNTs全(quan)軟(ruan)體(ti)機(ji)器人,其分(fen)子方(fang)向是(shi)通過直接書寫(xie)墨水來(lai)控(kong)制(zhi)的。該(gai)網狀(zhuang)全軟(ruan)機(ji)器人由雙(shuang)層絲組成,壹層的方(fang)向與(yu)另壹(yi)層垂直甚(shen)至相(xiang)反(fan)。與(yu)整(zheng)個(ge)薄膜(mo)的(de)旋轉(zhuan)或(huo)彎曲(qu)不(bu)同(tong),這(zhe)種(zhong)網狀(zhuang)全軟(ruan)機(ji)器人在X-Y平(ping)面(mian)上表(biao)現出(chu)由近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)遠(yuan)程控(kong)制(zhi)的定點(dian)收(shou)縮。
圖(tu)3.基(ji)於空(kong)氣中(zhong)LCE/CNT的全(quan)軟機(ji)器人的可(ke)編(bian)程空(kong)間運(yun)動(dong)隨(sui)後,作(zuo)者探索(suo)了(le)方(fang)向控(kong)制(zhi)和推進(jin)的(de)機(ji)理,並嘗(chang)試(shi)了(le)力(li)學分(fen)析(圖(tu)4d)。在(zai)近紅外(wai)光(guang)照(zhao)射(she)下,實現了(le)幼蟲機(ji)器人的自由泳(yong)。幼(you)蟲機(ji)器人隨(sui)時間(jian)推移(yi)的實際位移(yi)和角(jiao)速(su)度(du)如(ru)圖(tu)4 g-h所(suo)示(shi),這(zhe)證實了(le)圖(tu)4c中(zhong)描述的模型(xing)。值得壹提的是(shi),在(zai)1s內(nei)暴(bao)露(lu)於NIR光(guang)後(hou)立(li)即(ji)開始運(yun)動(dong),這(zhe)與(yu)空(kong)氣中(zhong)的光(guang)熱驅動(dong)壹致(圖(tu)4f)。在(zai)定向光(guang)暴(bao)露(lu)時,蜘(zhi)蛛(zhu)狀(zhuang)全軟(ruan)機(ji)器人在液-空(kong)氣界(jie)面(mian)的運(yun)動(dong)如圖(tu)4j所(suo)示(shi)。當近紅外光(guang)投(tou)射(she)到(dao)遠(yuan)離(li)蜘蛛(zhu)狀(zhuang)軟機(ji)器人幾(ji)何中(zhong)心的(de)左腿(tui)時(shi),暴(bao)露(lu)部(bu)位的(de)溫度(du)達到了(le)向列(lie)到各向同(tong)性(xing)的過渡點(dian)(TN-I),並產生(sheng)向光(guang)的(de)彎(wan)曲(qu)。因此,蜘蛛(zhu)狀(zhuang)軟機(ji)器人上的(de)力(li)失衡(heng),使(shi)其右(you)轉(zhuan)。同(tong)樣(yang),當NIR光(guang)照(zhao)射(she)到(dao)右(you)側時(shi),蜘(zhi)蛛(zhu)狀(zhuang)的軟(ruan)機(ji)器人向左(zuo)轉(zhuan)。當左(zuo)右(you)輪流照射(she)時,機(ji)器人會直(zhi)線(xian)向前(qian)移(yi)動(dong)而不(bu)是轉(zhuan)彎。除了(le)二維(wei)運動(dong)外,基於(yu)LCE/CNTs的(de)幼蟲機(ji)器人還表(biao)現出(chu)在液-空(kong)氣界(jie)面(mian)處的(de)三(san)維運(yun)動(dong)能力(li)。作(zuo)者還打印(yin)了(le)壹個(ge)較小的larvobot,放置(zhi)在(zai)直徑為15毫(hao)米的封(feng)閉玻璃(li)管中(zhong),由於(yu)光(guang)線(xian)的穿(chuan)透,身(shen)體(ti)可(ke)以(yi)自由旋轉(zhuan),並在3.5秒(miao)內(nei)旋轉(zhuan)360°(圖(tu)4i)。圖(tu)4. larvobot機(ji)器人的機(ji)械分(fen)析為了(le)理解(jie)軟機(ji)器人在液-空(kong)氣界(jie)面(mian)的運(yun)動(dong),通過沿三相接(jie)觸(chu)線(xian)改變(bian)角(jiao)度(du)來(lai)誘(you)導(dao)表(biao)面(mian)張力(li)差,從(cong)而(er)建立了(le)運動(dong)機(ji)制(zhi)。在此(ci)過程中(zhong),幼蟲的運(yun)動(dong)由浮力(li)Fb和表(biao)面(mian)張力(li)FT (圖(tu)4b)控(kong)制(zhi)。當近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)照(zhao)射(she)在(zai)幼蟲機(ji)器人上時(shi),該(gai)過程可(ke)分(fen)為墜落(luo)、遊(you)泳(yong)和離開。如圖(tu)5所(suo)示(shi)a(i和iv),力(li)(fL)的Larvobot在(zai)落(luo)下和離開的某(mou)個時刻接(jie)近(jin)平衡(heng),這(zhe)與(yu)圖(tu)4e中(zhong)的分(fen)析相似(si)。在遊(you)泳(yong)過程中(zhong)(圖(tu)5a),暴(bao)露(lu)於近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)時(shi)會(hui)產(chan)生幼蟲機(ji)器人的各種(zhong)變(bian)形(xing),導致(zhi)表(biao)面(mian)張力(li)和水平面(mian)之間(jian)的角(jiao)度(du)和長度可變(bian),這(zhe)主要歸因於超出(chu)半月板攀爬(pa)甲蟲幼蟲Pyrrhalta的內(nei)在(zai)運動(dong)的三維(wei)運(yun)動(dong)(圖(tu)1d和圖(tu)5b)作(zuo)者又進(jin)壹(yi)步論證了(le)三相(xiang)接觸(chu)線(xian)的機(ji)理。隨(sui)著(zhe)沿(yan)接觸(chu)線(xian)的傾(qing)斜(xie)度(du)變(bian)化(hua),FT運動(dong)方(fang)向增加(jia),這(zhe)使(shi)得幼蟲機(ji)器人遊(you)得比以(yi)前更(geng)快(kuai)。矢(shi)量圖(tu)和速度的nephogram在(zai)計(ji)算(suan)域(yu)中(zhong)給出(chu)(圖(tu)5c-d)。幼(you)蟲機(ji)器人的橫向毛細(xi)管力(li)在被(bei)光(guang)照(zhao)射(she)之(zhi)前沿三相接(jie)觸(chu)線(xian)均勻(yun)分布(bu)。照射後,幼(you)蟲的力(li)分布(bu)主要集(ji)中(zhong)在照(zhao)射區(qu)域(yu)(圖(tu)5e)。事實證明,幼(you)蟲在液-空(kong)氣界(jie)面(mian)處的(de)多(duo)維(wei)運(yun)動(dong)是由表(biao)面(mian)張力(li)的差(cha)異(yi)引(yin)起的,這(zhe)與(yu)力(li)學分(fen)析壹致。圖(tu)5.在(zai) larvobot 的三維(wei)卷(juan)起中(zhong)進(jin)行(xing)運動(dong)學分析和有限元(yuan)模擬小(xiao)結:綜(zong)上(shang)所(suo)述,全軟(ruan)機(ji)器人在液-空(kong)氣界(jie)面(mian)的多(duo)模運動(dong)是通過構建模仿半月板攀爬(pa)甲蟲幼蟲Pyrrhalta的三(san)相接(jie)觸(chu)線(xian)差分(fen)來實現的(de)。功能(neng)性(xing)LCE / CNTs復合(he)材(cai)料(liao)與(yu)3D打印(yin)技術(shu)相(xiang)結合(he),可(ke)實現所(suo)得結構(gou)的(de)高(gao)度自由度(du)和可編(bian)程運(yun)動(dong),甚至在(zai)液 - 空(kong)氣界(jie)面(mian)處超越天然(ran)甲(jia)蟲幼蟲Pyrrhalta的三(san)維卷(juan)起。此外(wai),光(guang)熱材(cai)料(liao)通過簡單的光(guang)照(zhao)射(she)實現時(shi)空(kong)可控(kong)的運動(dong)和連續的能(neng)量(liang)供應(ying)。通過結合(he)各種(zhong)功能(neng)填(tian)充物(wu)、編(bian)程方(fang)向、圖(tu)案和三維結構(gou),可(ke)以(yi)進(jin)壹(yi)步改(gai)變(bian)運動(dong)。這(zhe)項(xiang)工作(zuo)中(zhong)開發(fa)的設(she)計(ji)原理和材料(liao)將激(ji)發(fa)下壹(yi)代(dai)功能(neng)性(xing)軟(ruan)機(ji)器人的靈(ling)感。作(zuo)者及團(tuan)隊(dui)簡(jian)介
遊(you)正(zheng)偉教授長期(qi)從(cong)事彈性體(ti)材(cai)料(liao)研(yan)制(zhi)及其(qi)在(zai)生物(wu)醫(yi)學和生物(wu)電(dian)子領域(yu)的(de)應(ying)用。建(jian)立了(le)酸誘導(dao)環氧開環聚(ju)合反(fan)應(ying)(Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28;),高效(xiao)制(zhi)備(bei)了(le)壹系(xi)列新(xin)型(xing)的功能(neng)化(hua)、生(sheng)物(wu)活(huo)性(xing)的(de)可降解聚(ju)酯類(lei)彈(dan)性(xing)體(ti)(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9590; ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; J. Mater. Chem.B, 2016, 4, 2090; J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123; Acta Biomater. 2019, 539, 351);發(fa)展了(le)基於(yu)肟氨(an)酯基(ji)團的(de)新(xin)的動(dong)態鍵(jian)體(ti)系(xi),研制(zhi)了(le)自愈合多(duo)功能(neng)聚(ju)氨(an)酯類(lei)彈性(xing)體(Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058; Mater. Chem. Front2019, 3, 1833);通過工藝(yi)、設(she)備(bei)、策(ce)略(lve)的創新(xin),解決(jue)了(le)3D打印(yin)中(zhong)的壹(yi)系(xi)列瓶(ping)頸(jing)問題(ti),實現了(le)包(bao)括(kuo)上述熱固(gu)性(xing)彈(dan)性(xing)體在內(nei)不(bu)易(yi)加(jia)工材(cai)料(liao)的(de)3D打印(yin)(Mater. Horiz., 2019, 6, 394),構(gou)築(zhu)了(le)常(chang)規(gui)3D打印(yin)難於獲得仿生血管網絡等三(san)維(wei)精細(xi)結構(gou)(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197);進(jin)而(er)考(kao)察(cha)上述材料(liao)和加(jia)工技術(shu)在(zai)心(xin)肌(ji)(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)、血管(Biomaterials 2016, 76, 359; Acta Biomater. 2019, 97, 321)、氣管(Sci. China Mater. 2019, 62, 1910)、子宮(Adv. Healthc. Mater.2019, 8, 1801455)、和骨(gu)(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 2468)等組織(zhi)再生(sheng)和可穿戴電(dian)子(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108; Nat. Commun.DOI: 10.1038/s41467-020-14446-2)等領(ling)域(yu)的(de)應(ying)用。近(jin)期,針對磅(bang)礴(bo)興起的可(ke)拉(la)伸(shen)電子器件的(de)需(xu)求(qiu),該(gai)團(tuan)隊(dui)將研究(jiu)拓(tuo)展到(dao)彈(dan)性(xing)凝膠材料(liao)領(ling)域(yu),研(yan)制(zhi)了(le)基於(yu)水凝膠的自愈合(J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948)和基於離子凝膠的高(gao)拉伸(shen)、高透明、高(gao)穩定,適(shi)用(yong)於(yu)寬(kuan)溫度(du)範(fan)圍的(de)摩擦(ca)納米發(fa)電機(ji)(Nano Energy 2019, 63, 103847),近期(qi)研(yan)制(zhi)了(le)全新(xin)壹代(dai)的(de)導電(dian)纖(xian)維(wei)——高拉伸(shen)透明的(de)有機(ji)水凝膠纖維(wei),較水(shui)凝膠纖維(wei)保(bao)水抗(kang)凍性能(neng)顯著(zhu)提升,這(zhe)些(xie)工作(zuo)在人體交互(hu)的(de)可(ke)穿戴(dai)電(dian)子設備(bei)、生(sheng)物(wu)醫(yi)學、人工智(zhi)能(neng)等領(ling)域(yu)具有良好(hao)的應(ying)用前(qian)景。
摩方(fang)精密(mi)簡介
摩(mo)方(fang)精密(mi)作(zuo)為微納3D打印(yin)的(de)先。行(xing)。者和領。導。者,擁有全。球(qiu)。領(ling)。先(xian)的超高精度(du)打印(yin)系(xi)統(tong),其面(mian)投(tou)影(ying)微立體(ti)光(guang)刻(ke)(PμSL)技術(shu)可(ke)應(ying)用於(yu)精密電子器件、醫(yi)療(liao)器械(xie)、微流控、微機(ji)械等眾(zhong)多(duo)科研(yan)領(ling)域(yu)。在(zai)三維復雜(za)結構(gou)微加(jia)工領(ling)域(yu),摩(mo)方(fang)團隊(dui)擁有超過二十(shi)年(nian)的科研(yan)及工程實踐經(jing)驗。針(zhen)對客(ke)戶(hu)在新(xin)產品(pin)開發(fa)中(zhong)可能(neng)出(chu)現的(de)工藝(yi)和材料(liao)難題(ti),摩(mo)方(fang)將持續提供簡易(yi)高(gao)效(xiao)的技術(shu)支持方(fang)案。