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一種基于形狀記憶聚合物的軟體機器人

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“為什么鴨嘴獸不是胎生?Ellie 說,是因為鴨嘴獸太胖太扁,胎生的話 Baby 會在肚子里壓死,所以就卵生,反正我覺得有道理?!?這是一位科學家媽媽陪 7 歲的女兒學習時發(fā)的一條朋友圈。 四天后,她又發(fā)了一條朋友圈,內(nèi)容是:“愿你繼續(xù)努力!愿我繼續(xù)加油!” 配圖是她的學生被授予優(yōu)秀畢業(yè)生的榮譽證書。 她是媽媽,也是老師,更是科學家,她就是東華大學材料學院復材系副教授楊麗麗。 前不久,受多頭螺絲刀的啟發(fā),她開發(fā)出一種基于形狀記憶聚合物的軟體機器人。 圖 |一張“五瓣花”軟體機器人的照片,它具備功能編程能力、快速 3D 組裝能力、光驅(qū)動的局部雙向驅(qū)動和批量的單向驅(qū)動能力(來源:受訪者) 以“五瓣花”機器人為例,它能利用光驅(qū)動自愈合的機制,來實現(xiàn)自我編程和自身 3D 快速裝配。 圖 | 可形變的軟體機器人“五瓣花”(來源:受訪者) 今年 39 歲的楊麗麗,來自山東沂蒙山區(qū)的一個小村莊,上樹爬山、下河摸魚是童年的常態(tài),因此她對大自然有著根深蒂固的熱愛。受此影響,從哈工大博士畢業(yè)以來,她就決定專心研究動態(tài)仿生材料。 動態(tài)仿生現(xiàn)象非常常見,比如花朵在白天開放、夜晚閉合;壁虎遇到危險能快速斷尾;變色龍可根據(jù)環(huán)境顏色改變自身顏色。 在外場刺激下,動態(tài)仿生材料也能改變自身形狀或性質(zhì),以適應不斷變化的環(huán)境。同樣。因此,用這種材料做成的機器人,環(huán)境適應能力也非常強。 圖 | “青蛙”軟體機器人可執(zhí)行一系列組合光驅(qū)動的運動任務(wù),包括局部可逆形狀轉(zhuǎn)換、重新配置和重新編程(來源:受訪者) 即使服役環(huán)境或執(zhí)行任務(wù)出現(xiàn)改變,這類機器人也可通過光焊接調(diào)整局部單元,從而快速執(zhí)行新動作;就算局部單元受損,也能通過光驅(qū)動實現(xiàn)自愈合。 圖 | 基于摻雜少量銀納米線的半結(jié)晶乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的制備、光響應和光愈合機理(來源:受訪者) 本次研究的痛點在于,多數(shù)軟體機器人的功能過于單一,給其設(shè)計了動作 A 就只會動作 A,做調(diào)整也只能做整體調(diào)整,很難進行局部調(diào)整。 以做海底探測為例,假如周圍環(huán)境有變化,機器人就得改變?nèi)蝿?wù),而機器人的動作已被編程設(shè)計好根本無法更改,這時機器人就等于毫無用處。基于該痛點,她打算提高軟體機器人的環(huán)境適應能力。 ▍把熱驅(qū)動更換為光驅(qū)動 目前的軟體機器人一般采用氣動、電場、流體、磁場等驅(qū)動方式,但是在復雜的服役環(huán)境下,往往存在驅(qū)動元件比重過大、操作復雜等缺點。 而她想到的辦法是光驅(qū)動,優(yōu)勢在于它采用遠程非接觸式,此外還可做局部精確控制。選好了驅(qū)動方式,接下來就是選材料。 常見驅(qū)動材料主要包括水凝膠、液晶彈性體、形狀記憶聚合物等,水凝膠的楊氏模量(固體材料抵抗形變能力的物理量)普遍偏低,應用領(lǐng)域比較受限;液晶彈性體往往要對端基、或側(cè)基進行特殊分子設(shè)計和聚合方法設(shè)計;相比之下,形狀記憶聚合物就顯得更優(yōu)秀。 作為一種形狀記憶聚合物,乙烯 - 醋酸乙烯共聚物 (EVA,ethylene-co-vinyl acetate) 聚合物已經(jīng)完全工業(yè)化生產(chǎn),成本低且楊氏模量適中。美中不足的是,EVA 屬于熱驅(qū)動智能材料,因此得想辦法讓它可以被光驅(qū)動。 為把熱驅(qū)動更換為光驅(qū)動,楊麗麗給軟體機器人加入了銀納米線,這是一種具有出色光熱效應的材料。 圖 | 銀納米線的掃描電子顯微鏡圖(來源:受訪者) 接著,她采用多元醇還原的方法,把銀納米線摻雜在 EVA 中,光照會讓銀納米線迅速吸熱,銀納米線 / EVA 復合材料也會因此迅速升溫,而這會引發(fā) EVA 的熱場響應特性,進而具備光響應特性。 研究中,她以混合和熱壓的方式,設(shè)計出加載了少量銀納米線的基于 EVA 的光響應致動器。 這使得機器人的周遭環(huán)境發(fā)生改變時,其功能可以被改變,相關(guān)單元能從主體分裂,而另一個編程單元能以光焊接的方式連接到主體上。 如下圖所示,這是基于銀納米線的光熱效應、和 EVA 的熱驅(qū)動變形機制的實驗,它展示了機器人的光致變形能力。 圖 | 銀納米線 / EVA 復合材料的程序化和可逆變形機制(來源:受訪者) 實驗中,當把燈打開,驅(qū)動疇中的晶體熔化后,U 形物體就會膨脹;熄燈時,定向鏈段冷卻后再結(jié)晶,U 形物體就會收縮,這說明銀納米線 / EVA 復合材料表現(xiàn)出了可逆的光致變形行為。 下圖為在不同光照強度下,復合材料彎曲角的變化,在相應條件下輻照 5 秒后,所有復合材料都能彎曲到最大 180°,試想如果一只機械手能彎曲這么大幅度,必將實現(xiàn)更多功能。 圖 | 復合材料的彎曲角隨光強度的變化(來源:受訪者) 復合材料的驅(qū)動速度、以及在光照或關(guān)燈時的彎曲角度如下圖所示,當暴露于光時,銀納米線 / EVA 需要花費約 6 秒,來使角度從 0° 增加到 27.5°;當光源關(guān)閉時,15 秒內(nèi)即可恢復初始狀態(tài)。 圖 | 復合材料的驅(qū)動速度、以及在光照或關(guān)燈時的彎曲角度(來源:受訪者) 如下圖所示,在 808nm 下以 10w cm^?2 的曝光條件時,銀納米線 / EVA 花費約 4 秒,就可使軟體機器人角度從 0° 增加到 25.0°; 關(guān)燈后,由于冷卻速度加快,角度可在 5 秒內(nèi)迅速恢復到初始狀態(tài)。此外,即使在 808nm 的高強度下,該復合材料在 80 次光開 / 關(guān)循環(huán)后,仍可表現(xiàn)出穩(wěn)定的變形行為。 圖 | 銀納米線 / EVA 復合材料在空氣和水下的光致變形行為(來源:受訪者) 這些結(jié)果表明,復合材料的光觸變形行為是快速可逆的,并且光熱效應的增強還可提高驅(qū)動速度。 ▍可像傷口一樣自愈合的軟體機器人 與此同時,楊麗麗看到自然界中有很多自愈合現(xiàn)象,比如皮膚被劃傷后會長出新肉并恢復原狀。 由于軟體機器人往往應用在國防軍事和自然災害勘測等,因此執(zhí)行任務(wù)時很容易受傷,而如果制備出的材料具有自愈合功能,就能大大延長生命周期,這樣生產(chǎn)成本便可得到降低。 圖 | 具有自愈性的軟體機器人(來源:受訪者) 研究中,她發(fā)現(xiàn)銀納米線 / EVA 復合材料也擁有良好的自愈行為,這讓軟機器人能快速組裝成復雜的 3D 形狀,同時受損部件也可實現(xiàn)自愈。 如下圖所示,將大塊試樣切成兩半,經(jīng)過光照后便可自愈。為進一步了解自愈的內(nèi)在機制、以及自愈對形狀記憶性能的影響,楊麗麗測試了自愈后的變形行為,并與其他可能的方法進行了比較。 圖 | 銀納米線 / EVA 復合材料的光驅(qū)動自愈行為(來源:受訪者) 在下圖中,她將銀納米線 / EVA 試樣切割成兩半,通過光照固化一小時,然后進行從 “I” 形到 “U” 形的單向編程,最終發(fā)現(xiàn) “U” 型復合材料能完全恢復到最初的 “I” 型。 圖 | 銀納米線 / EVA 復合材料不同鍵合方式方案及紅外單向形狀記憶過程圖像(來源:受訪者) 相比之下,只利用 EVA 涂層并進行光照處理后的試樣,不能恢復到初始的 “I” 形。楊麗麗認為,這種愈合的改善歸因于 EVA 的化學交聯(lián)。 自愈合的另一個好處,在于可實現(xiàn)軟體機器人的光焊接,即能把機器人分成幾個單元單獨進行編程。 此外,軟體機器人在執(zhí)行任務(wù)時,如果需要對某個局部做功能性替換,把局部單元切斷,并換上另一個可滿足要求的單元,機器人就可實現(xiàn)自愈合,并重新恢復能力。 據(jù)悉,這種材料可用在航天、生物醫(yī)學、柔性電子等眾多領(lǐng)域,若結(jié)合 4D 打印技術(shù),則擁有更廣闊的應用前景。例如,在外太空執(zhí)行抓取任務(wù)時,這種遠程非接觸的光驅(qū)動機器人就會非常靈巧。 不過本次研究也有待優(yōu)化的地方,比如材料在循環(huán)愈合十次之后,材料強度下降較為明顯。目前,她和團隊也正在尋找提高自愈合性的策略。 ▍一名科研女性的 “遷徙”:從中部到東北再到江南 本碩博期間,楊麗麗均就讀于哈爾濱工業(yè)大學材料學專業(yè),甚至博后研究也是在哈工大,后來干脆留在母校干了三年半的副教授。 如果不是因為家庭原因來到上海,她大概還在哈工大。除去中間兩年去美國賓夕法尼亞大學做訪問學者,從 17 歲考入哈工大,到做完博后研究、又留校任教,這位不到四十歲的山東女子,竟有整整 15 個年頭留給了東北。 材料,是她從本科至今從未更換的方向,也是她將會一直從事的領(lǐng)域。從中國到美國,從東北到上海,她依然初心不改,目前在東華大學材料學院復材系擔任副教授。 作為兩位孩子母親的“媽媽型科研人”,她一直把自己和孩子以及學生的關(guān)系定性為“一起成長,共同進步”,她認為照顧孩子的重點不在于監(jiān)督,培養(yǎng)學生的重點也不在于督促,而在于一起經(jīng)歷思考的過程,以及一起感受科學的樂趣。 在她的排序中,個人提升是她最看重的。正如導演賈玲就電影《你好李煥英》所說的,“媽媽不僅僅是媽媽,她首先是她自己”。 她能做的就是,在家?guī)ьI(lǐng)孩子們真真切切感受自然、感受生活、感受愛,在學校帶領(lǐng)學生們踏踏實實學習知識、學會思考、物以致用。當自己變得更好,孩子和學生們也會自然而然地成長。 責任編輯:lq

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