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中科院深圳先進院杜學敏副研究員團隊研發出仿變色龍軟體驅動器
2019-08-02  來源:中國聚合物網

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究中心杜學敏副研究員團隊研發出仿變色龍軟體驅動器,首次報道了能同時通過顏色和形狀改變,進而與環境實時交互的軟體爬行機器人。相關研究結果以論文"Chameleon-Inspired Structural Color Actuators"(仿變色龍的結構色驅動器)在線發表于Cell姊妹刊Matter上(DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.012)。杜學敏副研究員是該論文通訊作者,王運龍博士為第一作者,深圳先進院為唯一通訊單位。 

  自然界中的許多生物為了在復雜的環境中得以生存,進化出了一系列能感知環境變化并能及時做出反應的智能特性。如較低等的生物——含羞草在受到外界觸碰時,會及時閉合葉子以避免受到傷害。對于高等的生物,如變色龍,在受到威脅時,不僅可以逃之夭夭,而且還可以通過改變皮膚顏色恐嚇天敵或是偽裝自己。生物這類環境自適應行為,啟發了科學家們研究并開發能感知環境并適應性改變自己性能的軟體驅動器和機器人。然而,傳統的軟體驅動器或機器人由于欠缺諸如兼具變形與變色的多功能特性,難以像自然界中的生物(變色龍,章魚等)一樣自主感知環境變化并及時做出反應,極大影響了人機交互和機器與環境交互效果。

  為解決該挑戰,杜學敏研究團隊基于前期在仿生含羞草等實現材料可控形變(Research, 2019, 2019, 6398296; Advanced Materials, 2017, 29, 1702231; Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120; Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027)設計經驗,創新性地仿生自然界中變色龍通過膚色改變與環境實時交互的結構原理:皮膚中存在周期性排列的微納顆粒,當皮膚舒張或收縮時,皮膚中微納顆粒間距會發生改變,進而反射光之間的干涉效果就隨著改變,最終呈現出肉眼可見的皮膚顏色變化,這種源于周期性微納結構的顏色稱之為結構色,并將這種周期性的微納結構設計到可控形變與可控運動的材料中,成功實現能與環境實時交互的仿變色龍驅動。研究團隊采用周期性微納顆粒陣列為模板,將丙烯酸酯類預聚單體澆筑到模板中并聚合固化,隨后移除微納顆粒模板,即可獲得具有周期性微納孔洞的聚丙烯酸酯(PTMPTA)。正是由于獨具匠心的多孔結構設計,使得這類薄膜在溶劑氛圍中實現快速的顏色變化(僅需0.2 s即可實現反射光譜紅移37 nm),這是因為納米尺度多孔結構能促進溶劑蒸汽的吸附與冷凝,進而快速溶脹聚丙烯酸酯分子并改變周期性微納孔洞間距,從而實現顏色快速變化。

  研究發現,將薄膜厚度降低到38 μm,并在薄膜無周期性結構一側設計進去陣列化排布的PHEMA條帶時,由于不對稱性溶脹,薄膜在溶劑氛圍中不僅可快速變色,而且還能實現定向變形,這類變色與變形持續逾100個循環后,仍然保持優良驅動特性。進一步,杜學敏研究團隊把這類快速變色與變形的材料設計成風車、花朵,當環境中溶劑蒸汽濃度變化時,這類風車與花朵即可呈現出動態的運動與變色,這類肉眼可見的變色可用于檢測身體健康狀況及環境污染情況等。更有趣的是,通過模仿自然界中可爬行的生物,將不對稱性摩擦設計到兼具可運動與變色的驅動器中,成功設計出能隨環境變化進而改變自身顏色的爬行機器人,其運動速度可達到0.16 cm/s。這類可控變色與運動的爬行機器人有望用于傳感、通訊及機器人偽裝等方面。 

  該項研究首次報道了能與環境實時交互的仿變色龍柔體結構色驅動器,不僅為傳統驅動器多功能設計提供了新思路,而且極大拓展仿變色龍驅動器在柔體機器人等領域廣泛應用。該研究工作得到了國家重點研發計劃(2017YFA0701303)、國家自然基金(21404116)、廣東。2015TQ01R292)、深圳市(JCYJ20180507182051636, KQJSCX20180330170232019)等科技項目資助。

  論文鏈接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30037-2

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(責任編輯:xu)
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