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西湖大學呂久安團隊 AFM：在可控高速柔性執行器領域取得重要進展

2022-11-24 來源：中國聚合物網

高速柔性執行器技術是開發高性能軟體機器人和高能量柔性激發器件的核心技術。但是目前的高速柔性執行器，一旦完成了執行器的合成和組裝，高速運動行為將無法調控。受自然界蕨類植物可控高速釋放孢子機制的啟發，西湖大學呂久安團隊設計制備了具有結構化約束的新型高速柔性執行器，實現了對高速運動行為的精確調控和自由編程。該研究工作以“Leveraging Bioinspired Structural Constraints for Tunable and Programmable Snapping Dynamics in High-Speed Soft Actuators”為題發表在Advanced Functional Materials期刊。論文第一作者是浙江大學-西湖大學聯合培養博士研究生王蛟，西湖大學工學院智能高分子團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，導致人工合成的柔性執行器往往變現出緩慢、低速的運動。而自然界的動植物具有一種能量放大機制—突跳（snapping）機制，可以驅動柔性的生物體產生快速、高能量的運動，從而實現高速捕食、逃跑、避障、傳播種子。例如，捕蠅草為捕獲落在葉片上的昆蟲，能在十分之一秒內快速關閉葉片；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快速跳高逃離捕食者。近年來，生物突跳機制啟發科學家們設計開發了快速運動的柔性刺激響應材料系統。然而對于已報道的高速運動的柔性人工材料系統，一旦執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）將無法動態調制，因此急需開發出高速運動行為可調節可編程的新型智能材料系統。

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

智能高分子團隊從植物的可控高速運動機制中獲得了設計靈感。在蕨類植物中，發射孢子的“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制發射孢子（圖1a）。與人造投石車激發控制機制不同的是，人造的投石車需要一個位于運動路徑的擋桿來實現可控擋停臂動，從而調控發射方向和能量大小。缺少橫桿的投石車會將發射的彈藥投向原地，無法控制發射方向導致發射失敗。而孢子囊則采用了一種截然不同的可控高速發射機制，利用了類似手風琴狀結構的多孔彈性損耗，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 由可重構約束結構調節的可控突跳行為。a）結構化柔性執行器的制備過程。b）柔性執行器的運動停止行為。c）具有不同數量被約束鰭的結構化柔性執行器的最大張角。d）具有不同數量被約束鰭的結構化柔性執行器的光致彈性能和發射速度。

受蕨類孢子囊通過手風琴狀的微結構產生的物理約束實現可控高速運動的啟發，智能高分子團隊設計了具有鰭狀（fin-shaped）微陣列結構的高速柔性執行器，其高速運動行為可以通過受約束的鰭微結構的數量和位置來進行動態調節和編程。這種結構化的柔性執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。可控的結構化執行器展示出高速移動速度(發射速度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，是執行器自身長度的40倍)，這是現有已報道的柔性執行器難以實現的可控高速運動。

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

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

該系統利用結構化約束精確調控柔性執行器的發射或跳躍角度和高度、運動速度以及釋放的應力，實現了可控彈射運動和可編程跳躍運動，甚至表現出在空間多方向受控的高速彈射和跳躍行為。智能高分子團隊的研究提供了一種基于可重構約束結構的高速運動調控策略，能夠高效地實現柔性執行器可控可調的高速運動行為。

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

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

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（責任編輯：xu）

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