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中國科大龔興龍教授課題組 Adv. Funct. Mater.：攀援植物啟發的用于過渡復雜表面的多響應仿生驅動器

2024-10-17 來源：高分子科技

攀援軟機器人因其可以提供出色的靈活性、適應性和機械堅固性，在探索和監測復雜、非結構化環境方面的應用前景廣闊，引起了越來越多的關注。盡管軟機器人在這一領域取得了顯著進展，但單一響應的軟機器人限制著機器人在平面和曲面之間靈活的轉換與過渡。因此，如何通過多場協同控制軟機器人在平坦/曲面上的攀爬，對拓展軟攀援機器人的應用具有重大意義。

日前，中國科學技術大學龔興龍教授團隊受攀援植物啟發設計了用于過渡復雜曲面的多響應仿生驅動器。通過將液晶彈性體（LCE）、液態金屬（LM）和磁性 Ecoflex（Mecoflex）進行組裝，開發電/紅外（IR）光/磁多場耦合軟驅動器（圖1）。基于熱膨脹差異和液晶相變的協同效應，驅動器可在超低電壓（1.0 V）下實現357°的彎曲角度。此外，通過對 LCE 層中的分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒取向設計，軟驅動器在電/光/磁單場控制下產生彎曲變形；在電/磁和光/磁耦合驅動下產生彎曲或螺旋彎曲的進一步變形。基于復雜變形能力，設計了仿生攀爬植物和四足攀援機器人。通過對四足機器人的結構設計，四足機器人可以在電/磁和光/磁的協同控制下實現平面和曲面的爬行，展現機器人在復雜環境的應用潛力。該工作已發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，題為“Climbing Plant‐Inspired Multi‐Responsive Biomimetic Actuator with Transitioning Complex Surfaces”。

圖1. LCE/LM/Mecoflex 軟驅動器的制備和表征。

在熱膨脹系數差異產生的變形失配和LCE中液晶分子的相變變形協同作用下，LCE/LM/Mecoflex驅動器展現了良好的電/光驅動器性能（圖2a-h），驅動器在1.0 V 驅動電壓下產生357°的大變形。由于釹鐵硼顆粒的硬磁特性，LCE/LM/Mecoflex 驅動器具有可編程的驅動性能（圖2i-l）。

圖2. LCE/LM/Mecoflex驅動器的電/光/磁驅動性能。

通過定制LCE 層的液晶分子取向，設計了仿生攀援驅動器，在電/光刺激下產生螺旋彎曲變形，其中取向角 β 被定義為 LCE 中的取向方向與薄膜長軸之間的夾角（圖 3a）。當取向角 0°<β<90° 時，驅動器向左產生螺旋彎曲變形。當取向角 90°<β<180° 時，驅動器向右產生螺旋彎曲變形。

圖3. LCE/LM/Mecoflex驅動器的螺旋彎曲性能。

通過設計 LCE 層中的液晶分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒的編程磁化，軟驅動器在電/光/磁單場控制下產生彎曲變形，在電/磁和光/磁耦合驅動下產生彎曲或螺旋彎曲的進一步變形，實現復雜的耦合變形結構（圖4）。

圖4. LCE/LM/Mecoflex驅動器的耦合驅動性能。

基于LCE/LM/Mecoflex驅動器良好的電熱驅動性能，通過對LM通路的設計可以實現驅動器的順序性和選擇性驅動，并進一步開發智能抓手和仿生攀援植物實現對規則的花束的抓取和纏繞（圖5）。

圖5. LCE/LM/Mecoflex驅動器的應用展示。

最后，由于LCE/LM/Mecoflex 執行器具有可編程的雙各向異性和多響應性，可用于設計環境適應性仿生四足機器人，實現類似于尺蠖的爬行運動。通過對 “工”字結構的四足機器人進行結構設計，實現其在平面和曲面的爬行（圖6）。

圖 6. 仿生攀援四足機器人的應用展示。

綜上所述，他們提出了一種受攀援植物啟發的多響應和可編程驅動的LCE/LM/Mecoflex 驅動器。由于不同熱膨脹和液晶相變的協同作用，LCE/LM/Mecoflex 的變形得到了進一步增加。通過設計 LCE 層中的分子取向和 Mecoflex 層中磁性顆粒磁化方向，LCE/LM/Mecoflex 執行器在施加電場、紅外光場和磁場時表現出可逆、大且穩定的彎曲或螺旋彎曲行為。基于這種良好的驅動器性能，他們開發出了多種可編程軟驅動器，它們可以在電/磁或紅外光/磁協同作用下在二維和三維結構之間進行可逆切換。最后，一個四足機器人在平面和曲面上的爬行實驗清楚地證明了所開發驅動器的靈活性，為多場耦合驅動機器人的設計和制造提供了一些啟發。

論文的第一作者為中科大工程科學學院博士研究生李文文，通訊作者為中科大工程科學學院龔興龍教授、宣守虎教授和香港浸會大學Ken Cham-Fai Leung associate professor。該研究得到了國家自然科學基金和中科大微納研究與制造中心的資助和支持。

原文鏈接：W. Li, C. Lou, S. Liu, Q. Ma, G. Liao, K. C.-F. Leung, X. Gong, H. Ma, S. Xuan, Climbing Plant-Inspired Multi-Responsive Biomimetic Actuator with Transitioning Complex Surfaces. Adv. Funct. Mater. 2024, 2414733. https://doi.org/10.1002/adfm.202414733.

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（責任編輯：xu）

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