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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點(diǎn)擊次數(shù)：998

智能機(jī)器人的快速發(fā)展必將給人類的日常生活帶來(lái)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(lái)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(lái)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)。


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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(lái)。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(guò)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。
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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(guò)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(wú)溶劑基質(zhì)來(lái)拉長(zhǎng)LCE分子來(lái)最大限度地減少干燥過(guò)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(guò)3D打印過(guò)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(guò)光實(shí)現(xiàn)方便和持續(xù)的能量供應(yīng)。
圖片圖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?。▓D1a），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(shuō)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(guò)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）。
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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(lái)，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(guò)直接書寫墨水來(lái)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。
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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(guò)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）。
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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(guò)沿三相接觸線改變角度來(lái)誘導(dǎo)表面張力差，從而建立了運(yùn)動(dòng)機(jī)制。在此過(guò)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(guò)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(guò)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。
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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(guò)構(gòu)建模仿半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的三相接觸線差分來(lái)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(guò)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(guò)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。