【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，合肥工業(yè)大學胡穎研究員、常龍飛副研究員團隊與趙玉順教授合作，發(fā)展了一種靜電驅(qū)動的石墨烯振蕩器，并受海豹運動啟發(fā)，進一步設計了一種電壓/光照協(xié)同驅(qū)動的仿海豹機器人，其中石墨烯振蕩器提供推進力，柔性光驅(qū)動器控制運動方向。該機器人能夠在電/光刺激下實現(xiàn)攜帶物體移動、繞開障礙物等可控運動。相關成果以“Seal-Bioinspired Electrostatic Oscillation-Based Soft Robot with Light Tunable Locomotion”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
能夠持續(xù)輸出機械能的自振蕩運動在生物活動中起著至關重要的作用，這啟發(fā)了人們利用自振蕩來設計新型柔性仿生機器人?；谧哉袷庍\動的柔性機器人可以進行爬行、游泳等仿生運動，提高了機器人運動的性能和多樣性。然而，當前的自振蕩驅(qū)動器大多需要精確控制外部刺激能量。設計結構簡單、可控性高的自振蕩驅(qū)動器，以及在此基礎上實現(xiàn)對柔性機器人運動的精確控制仍然是一個挑戰(zhàn)。
海豹能在水下和地面運動。在水下，海豹主要依靠擺動后鰭來提供向前推力，并通過拍打前鰭來改變運動方向。相比之下，海豹在陸地上則主要通過自身的背腹起伏向前移動。由于缺乏后鰭連續(xù)拍打所提供的推力，海豹在地面上的移動速度相對較慢。受海豹兩種運動模式的啟發(fā)，團隊設計了一種仿海豹柔性機器人。該機器人包含兩個部分：(1)模擬海豹后鰭的石墨烯振蕩器，在直流電壓驅(qū)動下產(chǎn)生連續(xù)拍打動作，為運動提供驅(qū)動力；(2)兩側安裝柔性光驅(qū)動器，模擬海豹的前鰭用于調(diào)整運動方向。
圖1 (a)海豹在水中和地面的兩種運動模式；(b)仿海豹運動的電/光驅(qū)動柔性機器人
該石墨烯振蕩器為懸臂梁結構，放置在兩平行板電極之間，一端固定，另一端自由懸掛。在電極之間施加360V的直流電壓(電場強度為24 V mm−1)，石墨烯薄膜在兩電極之間產(chǎn)生了持續(xù)的彎曲振蕩。其振蕩運動的驅(qū)動機制歸因于靜電感應效應，以及荷電極性變化引起的靜電力方向變化。振蕩運動的頻率可通過施加的電壓來控制，在100Vmm−1的電場強度下，振蕩頻率可達10.8 Hz。
圖2 靜電驅(qū)動的石墨烯振蕩器及其性能
基于石墨烯振蕩器在直流電場下的持續(xù)振蕩運動特性，可用來構建一種新型的電-機械動力系統(tǒng)。通過模仿海豹在水里和地面上的運動，團隊設計了一種可以在電場下自主移動的仿海豹柔性機器人。該機器人以石墨烯振蕩器作為后鰭，聚酰亞胺(PI)薄膜為身體。石墨烯振蕩器產(chǎn)生的振蕩運動為機器人運動提供了持續(xù)的機械動力，半圓形PI身體為機器人的運動提供了支撐點，并減少了機器人與地面之間的摩擦。與海豹在水下通過擺動后鰭向前移動類似，當施加電場時，仿海豹機器人可以通過石墨烯振蕩器的往復振蕩在電極板上實現(xiàn)自主運動。在30秒內(nèi)，機器人運動了約49mm距離。該仿海豹機器人還可以攜帶一個約為自重5.2倍(44.6mg)的物體向前運動。這表明了該機器人在特殊場景中的潛在應用，如在狹窄的帶電環(huán)境中運輸物體、檢測等。
圖3 以石墨烯振蕩器為馬達的仿海豹機器人在電場驅(qū)動下自主爬行運動，及攜帶物體運動
通過電場驅(qū)動的機械振蕩運動，可以初步實現(xiàn)仿海豹機器人的自主運動。然而，僅靠振蕩運動很難控制機器人的運動方向。因此，進一步引入能產(chǎn)生可逆變形的柔性驅(qū)動器作為仿生前鰭，來控制運動的方向。為了減少仿生前鰭的加入對機器人整體結構和運動的影響，選擇了能遠程操控的光驅(qū)動器來構建仿生前鰭。當施加直流電壓后，石墨烯振蕩器產(chǎn)生振蕩推動機器人前進。在此過程中，外部光束照射到光驅(qū)動器上，使其變形并接觸到下極板，導致移動中的機器人轉向。作為驗證，展示了仿海豹機器人在電壓和光照的雙重刺激下，以“S”軌跡繞過兩個障礙物。
該石墨烯振蕩器以及仿生機器人具有結構簡易、機械能持續(xù)輸出、可控性強等優(yōu)點，有望應用于緊湊型電力設備、氣體絕緣輸電線路的內(nèi)部運行和巡檢。此外，作為一種機械輸出穩(wěn)定的新型電機，石墨烯振蕩器有望通過電極的小型化和柔性化進一步拓展應用范圍，在新型智能機械系統(tǒng)和微型軟機器人等領域展現(xiàn)出較大的前景。
圖4 光/電操控的仿海豹機器人及其可控運動
在柔性智能光驅(qū)動器的應用方面，該團隊針對低頻噪聲污染的高效聲衰減需求，與愛沙尼亞塔爾圖大學等多單位合作，首次將光活性聚合物智能材料與聲學超材料結合，提出了一種新型可編程光調(diào)制吸聲體(LMA)的概念，其通過光響應柔性智能驅(qū)動材料實現(xiàn)了無束縛、超寬帶聲學調(diào)制。與幾何結構固定、可調(diào)性有限的傳統(tǒng)超材料不同，LMA可在緊湊構型中實現(xiàn)超材料結構轉變與尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)，從而在低強度光刺激下，實現(xiàn)對吸聲特性的可編程控制。相關成果以“A programmable acoustic metamaterial: achieving untethered ultra-broadband modulation with photoactive structural transition”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。
圖5 LMA概念及兩種LMA結構示意圖
此外，該團隊還與哈爾濱工業(yè)大學彭慶宇教授合作，開發(fā)了一種具有“類二極管式”變形行為的濕度響應MXene柔性薄膜驅(qū)動器。基于其厚度梯度結構以及MXene/羧甲基殼聚糖復合物對水分子的高度敏感性，該薄膜驅(qū)動器能夠在水分梯度刺激下產(chǎn)生“類二極管式”的驅(qū)動變形行為，其變形行為與厚度梯度方向以及水分源的方向高度相關。當水分刺激復合膜底部時，薄膜的彎曲軸垂直于厚度梯度方向；當水分刺激復合膜頂部時，薄膜的彎曲軸平行于厚度梯度方向。基于該柔性驅(qū)動器獨特的濕度響應行為，發(fā)展了一系列智能應用，包括水分梯度刺激下的柔性自振蕩器件，以及基于人體代謝水分刺激的智能非接觸開關、非接觸鍵盤、可穿戴智能熱管理服飾、可識別人體呼吸狀態(tài)的自供電傳感器等。相關成果以題為“MXene/Carboxymethyl Chitosan Moisture Responsive Soft Actuator with Diode-Like Actuation for Versatile Applications Driven by Human Metabolism”的論文發(fā)表在《Advanced Science》上。
圖6基于該復合膜驅(qū)動器的智能應用
上述研究工作得到了國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金、安徽省自然科學基金等資助。
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