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一株蔓藤带来的灵感丨新葡萄京娱乐场智能高分子团队开发出光控自动循环运动新系统
学术研究
智能高分子材料实验室 2021年05月29日
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公共事务部

鸟类飞行时会周期持续地扇动翅膀,金枪鱼游动时会高速循环摆动尾部(图1),动物大脑神经传出信号,心脏就会周期性节律跳动……造物主的神奇让我们为之惊叹,为什么只要给予一点点持续不变的能量刺激,它们就不断做出类似的“自动循环运动”?人类是否可以借鉴这种行为,制造出自动循环运动的“智能机器”?



图1. 自然界中的自动循环运动行为。


科学家们一直在寻求这样的可能性。近日,新葡萄京娱乐场工学院智能高分子材料实验室取得突破,他们从一株蔓藤的变形中得到灵感,开发了一种自动循环运动光控新系统。5月28日,Nature Communications报道了这一研究成果,新葡萄京娱乐场2018级博士研究生胡志明为第一作者,新葡萄京娱乐场工学院特聘研究员吕久安为通讯作者。



现有材料无法完美复制自然界的行为

对自然界“自动循环运动”的研究很早就开始了。最初科学家们制造的“人工智能材料”比较“笨”,在给予恒定的外部刺激下,会动,但只会动一次。比如光照形变材料,这种材料受到光照射后形状会产生变化,达到一定程度后也会稳定下来,但无法自动变回原来的状态。如果想让它再动起来,只能实施人工干预,换一种光源去“刺激”它。更令科学家气馁的是,这类材料的动作也十分机械,只能做上下,或左右,或弯曲等单一的模式运动,自由度很低。

之后,科学家和工程师们尝试在合成材料系统中实现自动循环运动行为。他们使用过两种响应性材料,一种是Belousov-zhabotinsky反应驱动的凝胶材料,另一种是光致形变的液晶高分子材料,但研究结果显示,这两种材料也各有各的局限性。水凝胶材料可以在溶液中反复地、周期地氧化还原,在这个过程中,凝胶可以完成从收缩到膨胀再收缩的反复运动,但对环境要求过高,只能在溶液中进行。基于液晶高分子材料的自动循环运动系统则无法负荷重物,而生活中的工程应用通常要求系统在有负重的情况下依然能正常工作,科学家们只能继续寻找他们理想中的智能响应材料。


一株蔓藤打开了想象的空间

从自然界得到灵感,也在自然界中寻找答案。

为了生存,自然界的很多生物都进化出了高度自由形变的特点,比如蔓藤。这为智能高分子实验室的科研人员打开了想象的空间。

蔓藤是植物界的“软体动物”,无法直立生长,需要缠绕在另外一种植物上卷曲爬行,到达植物顶端去吸收阳光。如果没有缠绕和弯曲的本领,它就无法生存。

放大一点,仔细观察弯曲的蔓藤,你会发现(图2),蔓藤内部结构类似上下双层结构,并且这两层结构生长的速度不一样。为什么蔓藤可以蜿蜒而上?当一边生长较快时,植株就会发生形变,向着生长较慢的一侧弯曲、扭曲、卷曲和缠绕,以此控制自己的身姿和运动方向,攀爬植被始终向阳而行。


图2. 蔓藤植物高自由度的形变行为。


蔓藤高自由度的形变行为,给智能高分子团队很大的启发。他们反向应用这种形变机制,先利用模具做出螺旋线形的材料,然后拉伸转换为线性结构,继而通过化学方法把它的形状固定。这样一旦受到外界刺激,它就可以直接产生高自由度的形变状态。

接下来的实验让人兴奋而又期待。研究团队设计出一种光控自动循环运动系统,由三个基本元素组成:自缠绕纤维执行器——作为光控“柔性弹簧”,悬吊的物体——作为负载,近红外光源——为系统提供驱动能量和控制。结果显示,这个简单的新系统,可以做出丰富的自动循环机械运动,它不仅能实施三种基础的运动模式:倾斜循环运动,旋转循环运动和上下循环运动,而且首次实现了三种运动模式之间的自由切换,甚至是多模式复合协同的复杂自动循环运动。也就是说,在上下、左右运动的同时,也可以实现弯曲、扭曲、缠绕等行为,并且不用人工切换光源。而此前,在人造光控自动循环运动系统中,产生两种及以上模式的复合运动,并实现复合运动的协同,是一项巨大的挑战。

可控的多模式循环运动、可负载工作、光机械可靠性高和功能可重构,人工智能循环运动材料曾经遇到的痛点,这一次几乎都迎刃而解。


这种新系统能够做些什么?

效法自然而用于自然,这样的光控循环运动的新系统,对于生活中的我们来说有何意义?

新系统中使用的近红外光源,在太阳光的光谱中占很大一部分,而太阳能是一种低成本、用之不竭的绿色能源,如果这套系统能够利用和转换太阳能而实现自维持的循环运动,那对现代工业和技术应用意义重大。

新系统所展示的优越性,让我们对这样的应用充满期待。

它可以在无需人为干预的情况下自动捕获太阳能,并把太阳能转换为机械能,产生持续的循环机械运动(图3a)。许多工程领域的专家们应该对此很感兴趣。



图3. 能量捕获与转换(a)日常太阳光辐射下,系统自动捕获太阳能,并产生持续的循环机械运动(有视频);(b)基于法拉第电磁转换原理的光电转化示意图。


既然这种新系统可以捕获太阳能转换机械运动,机械能继而也可以转化为电能,因此,新系统还可以利用法拉第电磁转换原理,将光信号自动持续的转化为电信号(图3b)。这可以启发科学家和工程师们去开发先进的能量转化装置、太阳能收集和转换器件、自驱动的无线传感器等高精尖功能设备。

此外,新系统还可以用来构筑微型、紧凑、轻便和低功耗特点的激光引导系统(图4)。



图4. 利用光控自动循环运动引导激光

从实验室走向应用开发,操作难度和生产成本常常是最卡脖子的地方。而自缠绕纤维执行器(这个光控自动循环运动系统的关键组件),制备方法简单且可规模化。整套系统的制造过程无需使用昂贵的设备,可以在任何材料实验室中进行,具有良好的通用性和实用性。

研究团队的最新实验还证明,这种材料十分耐用,循环上百万次之后几乎没有衰减。这对于产品工程师们而言,是否又是一大利好?

虽然目前我们无法一一罗列这套新系统究竟会给生活带来哪些改变,但一定会有更多的后来者循迹而来,推动这项研究在相关领域的应用,就像蔓藤一样,不断获得更大的生长空间。


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