東華大學(xué)游正偉團隊：具有高度靈活性的三維運動仿生機器人

更新時間：2023-06-21

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智能機器人的快速發(fā)展必將給人類的日常生活帶來一場革命。隨著他們與復(fù)雜操作環(huán)境融合的要求越來越高，柔性和可變形機器人的發(fā)展變得至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的機器人通常需要剛性的電機泵來提供能量，并限制了其對環(huán)境的適應(yīng)性。全軟體機器人由于其*的適應(yīng)性和友好的人機界面，已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注。已經(jīng)報道了具有不同類型運動的水生軟體機器人，如爬行、跳躍和游泳。然而，所報道的三維運動集中在單一相位上，要么是液體，要么是空氣。沒有報道與液體-空氣界面有關(guān)。由于不平衡的機械環(huán)境，要在液氣兩相界面實現(xiàn)三維運動（X、Y和Z軸）仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。

東華大學(xué)游正偉教授團隊受半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的啟發(fā)，提出了三相（液-固-空氣）接觸線的機制，以應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。一個基于光敏液晶彈性體/碳納米管復(fù)合材料的3D打印的全軟體機器人（名為larvobot）被開發(fā)出來。此機器人具有可重復(fù)的可編程變形和高自由度的運動能力，可以在液氣界面的三維運動，包括扭轉(zhuǎn)和滾動。通過分析幼蟲機器人沿固體-水面的力學(xué)原理，建立了運動方程。同時，利用ANSYS計算應(yīng)力分布，這與推測的結(jié)果相吻合。此外，軟體機器人在精確的時空控制下由光遠(yuǎn)程驅(qū)動，這為應(yīng)用提供了巨大優(yōu)勢，作者展示了軟體機器人在封閉管道內(nèi)的可控運動，這可用于藥物輸送和智能運輸。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。

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應(yīng)變。采用無溶劑基質(zhì)來拉長LCE分子來最大限度地減少干燥過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3D打印過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，并通過光實現(xiàn)方便和持續(xù)的能量供應(yīng)。

圖1：3D打印LCE/CNTs larvobot的設(shè)計

隨著1 wt% CNTs的加入，LCE/CNTs條帶的表面溫度在0.69秒內(nèi)達到約91℃，并能在不到8秒內(nèi)從25℃上升到～260℃（圖2a）。LCE/CNTs墨水可直接寫墨打印（圖1a），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 時出現(xiàn)了急劇的下降（圖 2b）。為了使用直接寫墨打印的長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）。這一事實說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齊。為了了解全軟機器人在兩相界面上的驅(qū)動，作者還研究了由雙層獨立式LCE / CNTs條帶組成的幼蟲在空氣中的光向性行為。通過打開和關(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）。

圖2：LCE/CNTs的表征

除了條狀的軟體機器人，作者還印制了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。首先，LCE/CNTs軟體機器人由四部分組成，具有不同的長絲方向，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，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，由六個花瓣組成的、帶有阿基米德螺旋方向的花絲的花狀機器人正在綻放（圖3c-d）。一個像孩子一樣的LCE/CNTs全軟機器人被打印出來，它可以隨著近紅外光的運動而跳舞（圖3e-f）。圖3g-h顯示了一個網(wǎng)狀的LCE/CNTs全軟體機器人，其分子方向是通過直接書寫墨水來控制的。該網(wǎng)狀全軟機器人由雙層絲組成，一層的方向與另一層垂直甚至相反。與整個薄膜的旋轉(zhuǎn)或彎曲不同，這種網(wǎng)狀全軟機器人在X-Y平面上表現(xiàn)出由近紅外光遠(yuǎn)程控制的定點收縮。

圖3.基于空氣中LCE/CNT的全軟機器人的可編程空間運動

隨后，作者探索了方向控制和推進的機理，并嘗試了力學(xué)分析（圖4d）。在近紅外光照射下，實現(xiàn)了幼蟲機器人的自由泳。幼蟲機器人隨時間推移的實際位移和角速度如圖4 g-h所示，這證實了圖4c中描述的模型。值得一提的是，在1s內(nèi)暴露于NIR光后立即開始運動，這與空氣中的光熱驅(qū)動一致（圖4f）。

在定向光暴露時，蜘蛛狀全軟機器人在液-空氣界面的運動如圖4j所示。當(dāng)近紅外光投射到遠(yuǎn)離蜘蛛狀軟機器人幾何中心的左腿時，暴露部位的溫度達到了向列到各向同性的過渡點（TN-I），并產(chǎn)生向光的彎曲。因此，蜘蛛狀軟機器人上的力失衡，使其右轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)NIR光照射到右側(cè)時，蜘蛛狀的軟機器人向左轉(zhuǎn)。當(dāng)左右輪流照射時，機器人會直線向前移動而不是轉(zhuǎn)彎。除了二維運動外，基于LCE/CNTs的幼蟲機器人還表現(xiàn)出在液-空氣界面處的三維運動能力。作者還打印了一個較小的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）。

圖4. larvobot機器人的機械分析

為了理解軟機器人在液-空氣界面的運動，通過沿三相接觸線改變角度來誘導(dǎo)表面張力差，從而建立了運動機制。在此過程中，幼蟲的運動由浮力Fb和表面張力FT (圖4b）控制。當(dāng)近紅外光照射在幼蟲機器人上時，該過程可分為墜落、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時刻接近平衡，這與圖4e中的分析相似。在游泳過程中（圖5a），暴露于近紅外光時會產(chǎn)生幼蟲機器人的各種變形，導(dǎo)致表面張力和水平面之間的角度和長度可變，這主要歸因于超出半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的內(nèi)在運動的三維運動（圖1d和圖5b）

作者又進一步論證了三相接觸線的機理。隨著沿接觸線的傾斜度變化，F(xiàn)T運動方向增加，這使得幼蟲機器人游得比以前更快。矢量圖和速度的nephogram在計算域中給出（圖5c-d）。幼蟲機器人的橫向毛細(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）。事實證明，幼蟲在液-空氣界面處的多維運動是由表面張力的差異引起的，這與力學(xué)分析一致。

圖5.在 larvobot 的三維卷起中進行運動學(xué)分析和有限元模擬

小結(jié)：綜上所述，全軟機器人在液-空氣界面的多模運動是通過構(gòu)建模仿半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的三相接觸線差分來實現(xiàn)的。功能性LCE / CNTs復(fù)合材料與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)所得結(jié)構(gòu)的高度自由度和可編程運動，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，光熱材料通過簡單的光照射實現(xiàn)時空可控的運動和連續(xù)的能量供應(yīng)。通過結(jié)合各種功能填充物、編程方向、圖案和三維結(jié)構(gòu)，可以進一步改變運動。這項工作中開發(fā)的設(shè)計原理和材料將激發(fā)下一代功能性軟機器人的靈感。

作者及團隊簡介

游正偉教授長期從事彈性體材料研制及其在生物醫(yī)學(xué)和生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用。建立了酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)聚合反應(yīng)(Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28;)，高效制備了一系列新型的功能化、生物活性的可降解聚酯類彈性體(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9590; ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; J. Mater. Chem.B, 2016, 4, 2090; J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123; Acta Biomater. 2019, 539, 351)；發(fā)展了基于肟氨酯基團的新的動態(tài)鍵體系，研制了自愈合多功能聚氨酯類彈性體(Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058; Mater. Chem. Front2019, 3, 1833)；通過工藝、設(shè)備、策略的創(chuàng)新，解決了3D打印中的一系列瓶頸問題，實現(xiàn)了包括上述熱固性彈性體在內(nèi)不易加工材料的3D打印(Mater. Horiz., 2019, 6, 394)，構(gòu)筑了常規(guī)3D打印難于獲得仿生血管網(wǎng)絡(luò)等三維精細(xì)結(jié)構(gòu)(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197)；進而考察上述材料和加工技術(shù)在心肌(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)、血管(Biomaterials 2016, 76, 359; Acta Biomater. 2019, 97, 321)、氣管(Sci. China Mater. 2019, 62, 1910)、子宮(Adv. Healthc. Mater.2019, 8, 1801455)、和骨(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 2468)等組織再生和可穿戴電子(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108; Nat. Commun.DOI: 10.1038/s41467-020-14446-2)等領(lǐng)域的應(yīng)用。近期，針對磅礴興起的可拉伸電子器件的需求，該團隊將研究拓展到彈性凝膠材料領(lǐng)域，研制了基于水凝膠的自愈合(J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948)和基于離子凝膠的高拉伸、高透明、高穩(wěn)定，適用于寬溫度范圍的摩擦納米發(fā)電機(Nano Energy 2019, 63, 103847)，近期研制了全新一代的導(dǎo)電纖維——高拉伸透明的有機水凝膠纖維，較水凝膠纖維保水抗凍性能顯著提升，這些工作在人體交互的可穿戴電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)、人工智能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

摩方精密簡介

摩方精密作為微納3D打印的先。行。者和領(lǐng)。導(dǎo)。者，擁有全。球。領(lǐng)。先的超高精度打印系統(tǒng)，其面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)可應(yīng)用于精密電子器件、醫(yī)療器械、微流控、微機械等眾多科研領(lǐng)域。在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域，摩方團隊擁有超過二十年的科研及工程實踐經(jīng)驗。針對客戶在新產(chǎn)品開發(fā)中可能出現(xiàn)的工藝和材料難題，摩方將持續(xù)提供簡易高效的技術(shù)支持方案。

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