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東華大學(xué)游正偉團(tuán)隊(duì)ACS Nano：具有高度靈活性的三維運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人

更新時(shí)間：2022-11-18

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智能機(jī)器人的快速發(fā)展必將給人類的日常生活帶來一場(chǎng)革命。隨著他們與復(fù)雜操作環(huán)境融合的要求越來越高，柔性和可變形機(jī)器人的發(fā)展變得至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的機(jī)器人通常需要?jiǎng)傂缘碾姍C(jī)泵來提供能量，并限制了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。全軟體機(jī)器人由于其*的適應(yīng)性和友好的人機(jī)界面，已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注。已經(jīng)報(bào)道了具有不同類型運(yùn)動(dòng)的水生軟體機(jī)器人，如爬行、跳躍和游泳。然而，所報(bào)道的三維運(yùn)動(dòng)集中在單一相位上，要么是液體，要么是空氣。沒有報(bào)道與液體-空氣界面有關(guān)。由于不平衡的機(jī)械環(huán)境，要在液氣兩相界面實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)（X、Y和Z軸）仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

東華大學(xué)游正偉教授團(tuán)隊(duì)受半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的啟發(fā)，提出了三相（液-固-空氣）接觸線的機(jī)制，以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。一個(gè)基于光敏液晶彈性體/碳納米管復(fù)合材料的3D打印的全軟體機(jī)器人（名為larvobot）被開發(fā)出來。此機(jī)器人具有可重復(fù)的可編程變形和高自由度的運(yùn)動(dòng)能力，可以在液氣界面的三維運(yùn)動(dòng)，包括扭轉(zhuǎn)和滾動(dòng)。通過分析幼蟲機(jī)器人沿固體-水面的力學(xué)原理，建立了運(yùn)動(dòng)方程。同時(shí)，利用ANSYS計(jì)算應(yīng)力分布，這與推測(cè)的結(jié)果相吻合。此外，軟體機(jī)器人在精確的時(shí)空控制下由光遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)，這為應(yīng)用提供了巨大優(yōu)勢(shì)，作者展示了軟體機(jī)器人在封閉管道內(nèi)的可控運(yùn)動(dòng)，這可用于藥物輸送和智能運(yùn)輸。相關(guān)成果以“Meniscus-Climbing System Inspired 3D Printed Fully Soft Robotics with Highly Flexible Three-Dimensional Locomotion at the Liquid–Air Interface"為題發(fā)表在ACS Nano上。第一作者為王洋和管清寶副研究員。

可光聚合的主鏈液晶低聚物是由反應(yīng)性中間物和胺連接物通過aza-Michael加成法合成的（圖1b），它可以最大限度地提高潛在的致動(dòng)應(yīng)變。采用無溶劑基質(zhì)來拉長(zhǎng)LCE分子來最大限度地減少干燥過程中溶劑損失引起的體積變化和殘余應(yīng)力。在紫外光照射下，LCE的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是通過3D打印過程后從活性丙烯酸酯端基中獲得（圖1a），這有利于保留程序化的中子排列。具有高光熱轉(zhuǎn)換效率和對(duì)近紅外敏感的CNTs被用作關(guān)鍵部件，賦予LCE/CNTs復(fù)合材料精確的遠(yuǎn)程控制，并通過光實(shí)現(xiàn)方便和持續(xù)的能量供應(yīng)。

圖1：3D打印LCE/CNTs larvobot的設(shè)計(jì)

隨著1 wt% CNTs的加入，LCE/CNTs條帶的表面溫度在0.69秒內(nèi)達(dá)到約91℃，并能在不到8秒內(nèi)從25℃上升到～260℃（圖2a）。LCE/CNTs墨水可直接寫墨打印（圖1a），在向列相內(nèi)，墨水具有剪切稀化特性，墨水的粘度在 50-60°C 時(shí)出現(xiàn)了急劇的下降（圖 2b）。為了使用直接寫墨打印的長(zhǎng)絲具有高保真的幾何形狀，打印溫度被設(shè)定為50℃，所以LCE/CNTs墨水擁有及時(shí)的剪切稀化反應(yīng)和合適的粘度。單軸印刷的LCE條顯示了典型的各向異性的光學(xué)特性（圖2c）。不同印刷速度的LCE條的取向程度用X射線衍射法進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，在12mm/s的印刷速度下，帶材可以保持適當(dāng)?shù)男螤詈透叩娜∠蚨龋▓D2d）。這一事實(shí)說明從印刷注射器中擠出的LCE/CNT很容易使中間物質(zhì)沿著編程的印刷路徑對(duì)齊。為了了解全軟機(jī)器人在兩相界面上的驅(qū)動(dòng)，作者還研究了由雙層獨(dú)立式LCE / CNTs條帶組成的幼蟲在空氣中的光向性行為。通過打開和關(guān)閉NIR光，最初的扁平條帶分別可以瞬間向上和向下彎曲（圖1c）。

圖2：LCE/CNTs的表征

除了條狀的軟體機(jī)器人，作者還印制了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。首先，LCE/CNTs軟體機(jī)器人由四部分組成，具有不同的長(zhǎng)絲方向，沿同一平面打印。上部和下部的燈絲傾斜了±45°。當(dāng)+45°的部分被近紅外光照射時(shí)，LCE/CNTs執(zhí)行器向右旋轉(zhuǎn)，反之亦然（圖3a-b）。在近紅外光照射下，由六個(gè)花瓣組成的、帶有阿基米德螺旋方向的花絲的花狀機(jī)器人正在綻放（圖3c-d）。一個(gè)像孩子一樣的LCE/CNTs全軟機(jī)器人被打印出來，它可以隨著近紅外光的運(yùn)動(dòng)而跳舞（圖3e-f）。圖3g-h顯示了一個(gè)網(wǎng)狀的LCE/CNTs全軟體機(jī)器人，其分子方向是通過直接書寫墨水來控制的。該網(wǎng)狀全軟機(jī)器人由雙層絲組成，一層的方向與另一層垂直甚至相反。與整個(gè)薄膜的旋轉(zhuǎn)或彎曲不同，這種網(wǎng)狀全軟機(jī)器人在X-Y平面上表現(xiàn)出由近紅外光遠(yuǎn)程控制的定點(diǎn)收縮。

圖3.基于空氣中LCE/CNT的全軟機(jī)器人的可編程空間運(yùn)動(dòng)

隨后，作者探索了方向控制和推進(jìn)的機(jī)理，并嘗試了力學(xué)分析（圖4d）。在近紅外光照射下，實(shí)現(xiàn)了幼蟲機(jī)器人的自由泳。幼蟲機(jī)器人隨時(shí)間推移的實(shí)際位移和角速度如圖4 g-h所示，這證實(shí)了圖4c中描述的模型。值得一提的是，在1s內(nèi)暴露于NIR光后立即開始運(yùn)動(dòng)，這與空氣中的光熱驅(qū)動(dòng)一致（圖4f）。

在定向光暴露時(shí)，蜘蛛狀全軟機(jī)器人在液-空氣界面的運(yùn)動(dòng)如圖4j所示。當(dāng)近紅外光投射到遠(yuǎn)離蜘蛛狀軟機(jī)器人幾何中心的左腿時(shí)，暴露部位的溫度達(dá)到了向列到各向同性的過渡點(diǎn)（TN-I），并產(chǎn)生向光的彎曲。因此，蜘蛛狀軟機(jī)器人上的力失衡，使其右轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)NIR光照射到右側(cè)時(shí)，蜘蛛狀的軟機(jī)器人向左轉(zhuǎn)。當(dāng)左右輪流照射時(shí)，機(jī)器人會(huì)直線向前移動(dòng)而不是轉(zhuǎn)彎。除了二維運(yùn)動(dòng)外，基于LCE/CNTs的幼蟲機(jī)器人還表現(xiàn)出在液-空氣界面處的三維運(yùn)動(dòng)能力。作者還打印了一個(gè)較小的larvobot，放置在直徑為15毫米的封閉玻璃管中，由于光線的穿透，身體可以自由旋轉(zhuǎn)，并在3.5秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°（圖4i）。

圖4. larvobot機(jī)器人的機(jī)械分析

為了理解軟機(jī)器人在液-空氣界面的運(yùn)動(dòng)，通過沿三相接觸線改變角度來誘導(dǎo)表面張力差，從而建立了運(yùn)動(dòng)機(jī)制。在此過程中，幼蟲的運(yùn)動(dòng)由浮力Fb和表面張力FT (圖4b）控制。當(dāng)近紅外光照射在幼蟲機(jī)器人上時(shí)，該過程可分為墜落、游泳和離開。如圖5所示a（i和iv），力（fL）的Larvobot在落下和離開的某個(gè)時(shí)刻接近平衡，這與圖4e中的分析相似。在游泳過程中（圖5a），暴露于近紅外光時(shí)會(huì)產(chǎn)生幼蟲機(jī)器人的各種變形，導(dǎo)致表面張力和水平面之間的角度和長(zhǎng)度可變，這主要?dú)w因于超出半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)的三維運(yùn)動(dòng)（圖1d和圖5b）

作者又進(jìn)一步論證了三相接觸線的機(jī)理。隨著沿接觸線的傾斜度變化，F(xiàn)T運(yùn)動(dòng)方向增加，這使得幼蟲機(jī)器人游得比以前更快。矢量圖和速度的nephogram在計(jì)算域中給出（圖5c-d）。幼蟲機(jī)器人的橫向毛細(xì)管力在被光照射之前沿三相接觸線均勻分布。照射后，幼蟲的力分布主要集中在照射區(qū)域（圖5e）。事實(shí)證明，幼蟲在液-空氣界面處的多維運(yùn)動(dòng)是由表面張力的差異引起的，這與力學(xué)分析一致。

圖5.在 larvobot 的三維卷起中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和有限元模擬

小結(jié)：綜上所述，全軟機(jī)器人在液-空氣界面的多模運(yùn)動(dòng)是通過構(gòu)建模仿半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的三相接觸線差分來實(shí)現(xiàn)的。功能性LCE / CNTs復(fù)合材料與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)所得結(jié)構(gòu)的高度自由度和可編程運(yùn)動(dòng)，甚至在液 - 空氣界面處超越天然甲蟲幼蟲Pyrrhalta的三維卷起。此外，光熱材料通過簡(jiǎn)單的光照射實(shí)現(xiàn)時(shí)空可控的運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的能量供應(yīng)。通過結(jié)合各種功能填充物、編程方向、圖案和三維結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步改變運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作中開發(fā)的設(shè)計(jì)原理和材料將激發(fā)下一代功能性軟機(jī)器人的靈感。