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    合工大吳玉程教授團隊胡穎研究員《AFM》:恒定光照下產生自主趨光運動的柔性智能驅動器
    2020-04-27  來源:高分子科技

      自然界中的許多生物都具有適應環境的能力,能夠在特定的外部環境中產生自主的、連續的和有規律的響應。這種生物的自主智能特性啟發了研究者去研發能夠適應外部環境刺激、產生自主變形運動的柔性智能驅動器以及軟體機器人。然而,大多數柔性智能驅動器在恒定不變的外部環境刺激下僅產生不可維持的、無自主性的單次運動。模擬生物體的自主運動特性,設計出在恒定的外部環境刺激下產生自主運動的柔性智能驅動器目前仍然是一個巨大的挑戰。


      針對這一挑戰,合肥工業大學工業與裝備技術研究院胡穎研究員在吳玉程教授的領導下,設計了一種能在恒定光照下產生連續自振蕩波動運動的柔性碳納米管/聚合物復合驅動器,并實現了其在光照下的自主趨光爬行運動。該驅動器由具有卷曲結構的水滴形狀碳納米管雙層薄膜組成,可以被普通的白光光源所驅動,產生持續的具有波動形式的自振蕩變形運動,其運動形式類似于人體仰臥起坐(圖1)。這種新型波動振蕩運動的產生機制主要來源于光熱驅動結合陰影效應所產生的光-機械負反饋、光熱響應沿著驅動器長度方向的時間延遲所導致驅動器由右到左的變形滯后,以及驅動器卷曲結構的良好機械彈性。


    圖1. a)水滴狀柔性驅動器在恒定光照下產生類似于人體仰臥起坐運動的自主連續變形的示意圖。b)恒定光照下自主連續變形的圖片。c)驅動器在恒定光照下產生自主連續振動運動的機理示意圖。d)柔性驅動器在光照下產生從平躺(ii)到起身(i)然后再返回平躺(ii)的實時變形圖片。 e)驅動器在恒定光照下的實時高度變化曲線。 f)驅動器末端在恒定光照下自主變形的運動軌跡圖,表明其運動為波動運動。


      進一步研究發現,該柔性驅動器對外界光照刺激具有自適應性。當改變光照方向和強度時,其產生的自主變形也相應的發生了改變。當光照從驅動器的側面入射時,驅動器產生了類似于仰臥起坐與扭轉運動相結合的具有新型模式的自主變形運動(圖2)。


    圖2 d–f)當光照從側面入射時,驅動器產生連續的仰臥起坐運動和扭轉運動的示意圖、機理圖及光學圖像。 g)驅動器在持續側面光照下的自主變形的高度變化。


      由于在恒定光照射下呈現出的獨特的自主波動運動,該柔性驅動器在軟體機器人和能量收集領域具有較大的潛力。例如,設計制備了基于該驅動器的“機器蛇”,在光照下,“機器蛇”能以波動傳播的方式自主地、連續地向光源爬行,表現出了飛蛾撲火的趨光運動智能特性。這種持續的趨光爬行運動主要是由周期波動運動與地面的相互作用引起的。(圖3)。此外,該“機器蛇”還可以放置在由摩擦電材料組成的基底上,從而構筑了一種新型的光驅動器發電機,通過光照下的連續自振蕩運動導致的周期性接觸分離與摩擦電效應的結合,實現了在持續光照下的連續電信號輸出(圖4)。


    圖3. 恒定光照下的自主向光爬行運動。 a)“機器蛇”向光爬行示意圖。 b-c)在恒定光照下驅動器自主向光爬行運動的光學圖像與紅外熱像圖。d)自主向光爬行的機理示意圖。 e)驅動器隨時間變化的爬行位移變化。 f)無導線連接的驅動器的向光爬行運動。g)一端連接有導線的驅動器的向光爬行運動。


    圖4. 光驅動發電機的設計和性能表現。 a)光驅動摩擦納米發電機的工作原理示意圖。 b)光驅動發電機在恒定光照下的工作過程的光學圖像。 c)持續光照射下光驅動發電機產生的開路電壓。 d)發電機在不同強度入射光照射下產生的開路電壓。 e)光驅動發電機產生的開路電壓幅值與光強度的關系。


      以上研究成果以 “An Autonomous Soft Actuator with Light‐Driven Self‐Sustained Wavelike Oscillation for Phototactic Self‐Locomotion and Power Generation”為題作為內封面論文發表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908842)上。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.201908842

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