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上科大凌盛杰《Adv. Funct. Mater.》:雙物理交聯絲素離子彈性體構建運動和觸覺感受器
2023-04-08  來源:高分子科技

  未來,我們生活中的大部分工作將會被機器人取代。這些機器人不應只是冰冷的鋼鐵機器,而是表面可覆蓋有與人體皮膚類似的材料,具備感知運動信息并識別所接觸的物體的能力,反饋給機器人做出相應的動作處理,就像人類的雙手一樣。人工運動和觸覺感受器(Artificial motion and tactile receptor, AMTR)是一種能夠實時感知物體運動和識別不同材料的智能平臺,是交互式人機界面的推動者。目前亟需開發一類有效模仿人體皮膚的組成、結構、力學和多功能AMTR


  近期,上海科技大學物質科學與技術學院的凌盛杰課題組開發了一種基于絲素蛋白的離子彈性體(Silk Fibroin Ionoelastomer, SFIE),可以模仿人類皮膚的組成和功能。通過分子結構設計和功能集成的策略,結合機器學習與物聯網技術,他們將SFIE集成到機器人的手指上,SFIE- AMTR能夠感知運動并準確分類不同材質的物體。在智能分揀、軟體機器人和虛擬現實領域具有廣泛的應用前景。


  具體而言,通過吸濕誘導無定形的絲素蛋白離子導體(Silk Fibroin Ionotronics, SFI)的受控結晶來制備SFIE。SFIE由密集的分子纏結與稀疏、均勻分散的納米晶交聯組成的雙網絡結構構成。其中,密集的纏結使張力能夠在聚合物鏈中沿其長度方向傳遞到其他分子鏈,同時,稀疏的納米晶交聯阻止了聚合物鏈的解開。(1)得益于這種雙網絡結構,SFIE很好地平衡了拉伸性、抗拉強度和彈性。與SFI相比,SFIE在保持了良好的可拉伸性的同時(拉伸超過自身長度的12倍而不發生破裂),楊氏模量提高了17倍,力學滯后約為25%。此外,SFIE的真應力-伸長率曲線呈現指數級增長,顯示出明顯的應變硬化現象,這是皮膚等軟生物彈性體的典型特征。(2) 


圖1 SFIE的結構表征 a)吸濕誘導過程中 SFI 的時間分辨傅里葉變換紅外光譜b)SFIE的交聯結構c)SFIE的紅外光譜中酰胺I峰的分峰結果d)SFIE的廣角X射線散射圖e)β折疊以及對應晶胞的尺寸 f)SFIE的廣角X射線散射分峰結果。 


圖2 SFIE的力學性能 a)SFIE的透明性展示b)SFIE 的強度展示c)SFIE和SFI的真應力-伸長率曲線(左)和鏈結構(右)d)SFIE的楊氏模量和韌性與其他代表性軟材料的對比。e)SFIE的楊氏模量和失效應變與其他軟材料和天然生物材料的對比。f)SFIE 彈性的展示,鏈結構變化的示意圖(上)g)SFIE的循環拉伸曲線 h)SFIE在一個周期內的小角X射線散射圖。


  在功能設計方面,作者使用與SFIE具有類似力學性能的VHB膠帶(由聚丙烯酸酯構成)對SFIE進行封裝,構建SFIE-AMTR。得益于SFIE良好的力學性能以及導電性,SFIE-AMTR具有靈敏的機電響應性(即其電阻隨應變線性變化),可以實現對人體各種運動器官遭受的大部分變形的精確監測,包括手指、手腕、手肘以及膝蓋,應變范圍從0%到100%。(3)此外,當SFIE-AMTR與其他物體接觸-分離時,會產生可重復的摩擦電信號。由于不同物體的電負性差異,其與SFIE-AMTR產生的摩擦電信號也會存在細微差異。利用這一特點,他們使用機器學習分析信號中微小而復雜的特征,結合物聯網技術,實現了對不同材質小球的識別與抓取分類。在600余次識別和分選測試中,成功率達92.3%,表明SFIE-AMTR在分揀機器人等領域具有應用潛力。 


圖3 SFIE-AMTR對人體運動的監測 a)SFIE相對于拉伸變形的阻力變化 b)SFIE-AMTR實時監測人體各種運動器官的運動的示意圖c)SFIE-AMTR 對手指彎曲的檢測 d)SFIE-AMTR對手勢的檢測 e)SFIE-AMTR對膝蓋彎曲的檢測 f)SFIE-AMTR對手腕彎曲的檢測 g)SFIE-AMTR對手肘彎曲的檢測。


  該工作以“An Artificial Motion and Tactile Receptor Constructed by Hyperelastic Double Physically Cross-Linked Silk Fibroin Ionoelastomer”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。上海科技大學曹雷濤博士、鹽城工學院講師葉超博士與上海科技大學碩士研究生張豪為本論文的共同第一作者。

 

  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301404

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