科学家制备新型复合膜驱动器，最大光致变形速率达6000°/s 以上，只需调整光照即可控制跳跃方向 天天速读
来源：DeepTech深科技 2023-01-30 10:26:03
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平日里，合肥工业大学工业与装备技术研究院教授喜欢阅读一些生物体运动的论文，以期从中获得研究灵感。几年前，他看到一篇分析瘿蚊幼虫跳跃过程的论文，里面介绍了这种动物在跳跃时的行为过程。 图 | 瘿蚊幼虫的跳跃运动过程及准备阶段形成的环形结构（来源：J.Exp.Biol） 在瘿蚊幼虫的跳跃准备阶段，它会将身体卷起来形成一个环形形态。期间，幼虫尾部会跟中间的体节，形成一个类似门闩的结构。 然后，由于门闩结构的存在，当幼虫对体液进行加压时，它的体内会存储大量的弹性能量。当存储的弹性能量足够大，幼虫会将尾部和中间体节形成的门闩结构打开。 此时，体内存储的弹性能量会在瞬间得到释放，从而实现快速高效的跳跃运动行为。 视频1 瘿蚊幼虫的跳跃运动（来源：J.Exp.Biol ） 在课题组的近期成果中，这个多年前的阅读经历在关键时刻起到了“四两拨千斤”的作用。 在最近这项研究中，他和合作者通过模拟瘿蚊幼虫的跳跃运动行为， 在环形的 MXene/PDMS 双层复合膜中，构建出一种仿生门闩结构，借此制备一种 MXene/PDMS 复合膜驱动器。在光照条件下，驱动器可以实现仿生型跳跃运动。 最重要的是，由于光驱动器以光作为刺激源，其具有远程、局部照射等优势，因此可以通过调整光照方向，来控制驱动器的跳跃运动。让其既可以竖直向上做跳高运动，也可以在水平方向做跳远运动，更可以实现中间状态的抛物线式运动。 视频 2 | MXene/PDMS 复合膜的跳高运动（来源：Nano Energy） 该驱动器的最大跳跃高度达到 41mm，约为驱动器自身体高的 10.3 倍；最大跳远距离可以达到 40mm，约为驱动器自身体长的 5.7 倍。 视频 3 | MXene/PDMS 复合膜的跳远运动（来源：Nano Energy） 当携带自重 0.5 倍的重物时，驱动器还能实现跳跃运动，跳跃高度达 33.4mm，约为自身体高的 8.4 倍，这是目前其他光驱动跳跃驱动器所无法实现的。 视频 4 | MXene/PDMS 复合膜携带负载下的跳跃（来源：Nano Energy） 近年来，该团队致力于研究新型柔性智能驱动器。随着 5G、AI 等技术的不断发展，人类社会正从工业化社会逐渐向智能化社会过渡。人们对于智能机械系统的需求也越来越高，而智能驱动器作为智能机械系统的核心组件之一，也愈发受到关注。 首先要明确一点，什么是智能驱动器？ 智能驱动器，是一种能将外界环境能量比如电能、光能、热能、湿度等转化为自身机械功的一类器件或设备。它能接受和响应外界的刺激，通过调整自身结构从而与环境形成有效互动。 目前，智能驱动器的研究包括多个方向，其中一个大方向是研发各种仿生运动的智能驱动器。 比如，在一定的外部能量刺激下，一些课题组致力于研发可以实现类似自然界生物体的仿生爬行运动、滚动运动、跳跃运动等动作的智能驱动器装置。 在各种仿生运动中，跳跃运动的实现难度相对较大。这是因为跳跃运动往往涉及到能量在驱动器系统中的大量积累、以及瞬间的释放。 近几年来，包括该课题组在内的国内外研究组，已经报道过一些可以实现仿生跳跃运动的智能驱动器。 但是，依旧存在一个很大的问题，那就是几乎没人实现过对于驱动器跳跃运动模式的控制。 目前，大多数的跳跃驱动器，其跳跃运动模式通常只是简单的竖直向上跳跃，或者是单一的抛物线式的跳跃运动，驱动器的跳跃运动行为尚未得到有效控制。而此次新成果，实现了对于跳跃运动行为的有效控制。 一直以来，智能驱动器的应用领域都非常广泛，例如近年比较火热的人工肌肉和柔性机器人领域。 另外， 在航空航天、生物医疗等领域，智能驱动器也有很多“用武之地”，比如卫星的太阳能板、医用的心血管支架等。就此次成果来说，这种基于 MXene/PDMS 复合膜的跳跃驱动器，其最大的应用领域便是柔性机器人系统。 举例来说，可以通过在跳跃驱动器上集成成像装置，实现对复杂环境的探测工作。另外，在携带负载的条件下，这种驱动器可以实现高性能的跳跃运动，故有望作为柔性搬运装置以用于日常生产和生活。 同时，当驱动器的弹性能量在长时间积累之后得到突然释放，也可以作为弹性力学器件，从而用于那些需要短时间输出大功率的机械系统里。 复合膜驱动器最大光致变形速率可达6000°/s以上据介绍：“这次成果由我们课题组和哈工大教授、教授团队合作完成。在复合材料结构设计领域，赫老师课题组在国内乃至国际上都处于领先位置。” 此前，他们团队有一位做智能驱动器的博士生徐亮亮，来到合工大课题组作交流。 来了之后，徐亮亮将 MXene 和 PDMS 结合，利用 MXene 和 PDMS 之间的热膨胀性能差异产生的界面热失配，制备了一个初始形状为环形结构的 MXene/PDMS 双层复合膜，它可以在光照条件下实现驱动变形行为。 说：“这种复合膜就是我们制备跳跃驱动器的基础材料。不过最初制备这种复合膜，并不是为了研发跳跃驱动器，而是为了做一个驱动传感一体化的装置，当然这是我们另外一个工作了。” 有一次，他在和徐亮亮讨论实验进展时，看着这种具有环形初始结构的 MXene/PDMS 双层复合膜，突然想起了那篇瘿蚊幼虫的论文。“我觉得这种复合膜的环形初始结构，跟瘿蚊幼虫在跳跃准备阶段将身体卷起来形成的环形结构在形状上是非常相似的，我就赶紧把那篇论文找出来，然后分享给亮亮。”他说。 当时他们在想，能否基于这种具有环形初始结构的复合膜，通过构建类似于瘿蚊幼虫跳跃准备阶段形成的门闩结构，来调控弹性能量的存储和快速释放，从而实现高性能跳跃驱动器？ 经过一番讨论之后，他俩一致觉得有戏。至此，研究课题终于基本敲定，即通过模拟瘿蚊幼虫的跳跃运动，借此构建仿生门闩结构，从而实现复合膜的跳跃运动。 接下来要考虑的是，到底以怎样的形式来构建仿生门闩结构？此前，课题组制备过大量的 MXene/PDMS 双层复合膜，已经积累了一些基础。 在制备这种复合膜时，他们先是在玻璃基底上滴铸 MXene 分散液，干燥之后形成 MXene 层，然后在 MXene 层上旋涂一层加了固化剂的 PDMS，等到 PDMS 固化之后，再将复合膜从玻璃基底上揭下来。 由于 MXene 和 PDMS 之间热膨胀系数的差异，会在 MXene 层与 PDMS 层之间造成界面热失配。因此，将复合膜从玻璃基底上揭下来之后，复合膜会发生卷曲，从而形成环形结构的初始形状。 结合 MXene/PDMS 双层复合膜的制备过程，他们开始考虑在将复合膜从玻璃基底上揭下来之前，能否找到某种黏性材料涂覆在膜发生卷曲的一侧，这样将复合膜从基底上揭下来形成环形结构时，黏性材料就会将复合膜的两侧粘住，这样以来不就形成天然的门闩结构了吗？ 事实上，在复合膜的制备过程中，所使用的 PDMS 在没有固化之前，其实就是一种黏性很大的材料。所以，他们打算使用未固化的 PDMS 来构建仿生门闩结构。 图 | 具有仿生门闩结构的 MXene/PDMS 双层复合膜的制备流程图（来源：Nano Energy） 为了验证这种未固化 PDMS 仿生门闩结构，是否能够有效地实现复合膜对弹性能量的存储和释放，针对没有构建仿生门闩结构的复合膜、以及构建了仿生门闩结构的复合膜，课题组对于它们在光照条件下的驱动性能予以对比。 实验结果让他们非常满意：没有构建仿生门闩结构的双层复合膜的弹性能量，无法得到有效的存储，其光致驱动变形很平稳，平均变形速度仅为 75°/s；而在同样的光照条件下，使用未固化 PDMS 构建的仿生门闩结构的双层复合膜，即便在较长时间内也不会发生光致驱动变形。 这说明，仿生门闩结构能够限制其驱动变形行为，同时也意味着复合膜在持续光照的条件下，能够存储更多的弹性能量。当存储的弹性能量足够大时，就能瞬间释放，这让复合膜的最大光致变形速率可以达到 6000°/s 以上。 图 | 门闩结构对 MXene/PDMS 复合膜驱动变形行为的影响（来源：Nano Energy） 以上实验结果证明，以未固化的 PDMS 来构建仿生门闩结构，可以有效地实现复合膜中弹性能量的存储与瞬间释放，这为实现复合膜驱动器的跳跃运动提供了基础。 接下来，则要实现这种复合膜的跳跃，于是课题组对双层复合膜施加连续光线的照射，以观察其运动情况。 这时他们发现在光照之下，无束缚的复合膜的门闩结构很难被打开，自然也就无法实现跳跃运动。 经过一番讨论，课题组考虑可能是门闩面积太大，导致在无束缚条件下很难被打开。打个比方，当一扇门闩锁得太牢，那么肯定打不开。 如前所述，在复合材料结构设计领域，教授和教授团队做的非常出色。于是，他们组的其他几位做结构设计的同学，通过仿真模拟计算为复合膜设计了更合适的门闩结构。 基于此，他们成功实现了双层复合膜的跳跃运动。接着，大家又对复合膜跳跃运动过程中的受力情况进行分析，结果发现复合膜的跳跃运动行为，与光照方向有着密切关系。 随后，通过调整光照方向，成功实现了对于复合膜跳跃运动行为的控制。之后，又在携带负载条件下，对复合膜的跳跃运动行为进行研究。 此外，他们还研究了 PDMS 涂覆量、PDMS 层厚度、MXene 层、复合膜的几何尺寸，对于复合膜跳跃性能的影响。至此，本次课题才算大体完成。 图 | 基于仿生门闩结构的 MXene/PDMS 复合膜的可控跳跃（来源：Nano Energy） 近日，相关论文以《一种昆虫幼虫启发的基于MXene的光控跳跃驱动器》 （）为题发表在 Nano Energy上（IF 19）。 哈尔滨工业大学博士后研究员徐亮亮、博士生薛福华、郑皓文为论文的共同一作，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所教授、教授、以及合工大教授为共同通讯作者 [1]。 前面提到，目前他们采用未固化的 PDMS 粘液来构建仿生门闩结构，尽管这种门闩结构的释放可以通过 PDMS 的涂覆量进行大致的控制，但却并不足够精准。 因此，接下来他们考虑采用其他形式的门闩结构，来进一步提升该类跳跃驱动器的可控性，比如选择更加可控的材料、或是通过微纳结构的设计来实现精确的能量释放控制。“再就是设计可连续开关的门闩结构，借此实现驱动器的连续跳跃运动，这块目前也是国际上的难点。”最后表示。 参考资料：
1.Xu, L., Xue, F., Zheng, H., Ji, Q., Qiu, C., Chen, Z., ... & He, X. (2022). An insect larvae inspired MXene-based jumping actuator with controllable motion powered by light. Nano Energy, 103, 107848.
2.G.M. Farley, M.J. Wise, J.S. Harrison, G.P. Sutton, C. Kuo, S.N. Patek, Adhesive Latching and Legless Leaping in Small, Worm-Like Insect Larvae, J. Exp. Biol.2019, 222, jeb.201129.
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