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    哈佛大學:單材料、單刺激的微結構可以超越活纖毛

    2022-05-09 13:16:29 來源:科技日報

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    多年來,科學家們一直在嘗試為微型機器人系統設計微小的人造纖毛,以期該系統可執行復雜運動,包括彎曲、扭曲和反轉。美國哈佛大學研究人員開發了一種單材料、單刺激的微結構,甚至可以超越活纖毛。這些可編程的微米級結構能用于包括柔性機器人、生物相容性醫療設備,甚至動態信息加密等一系列應用。該研究近日發表于《自然》雜志上。

    構建比人類發絲還小的微結構,通常需要多步制造過程和不同的刺激來產生復雜的運動,這限制了它們的廣泛應用。

    哈佛大學工程與應用科學學院化學與化學生物學教授喬安娜·艾森伯格稱,能夠進行各種程序化運動的自適應、自調節材料,代表了一個重要創新,這一領域的進展會影響各種設計材料和設備運行方式,包括機器人、醫學和信息技術。

    與之前主要依靠復雜材料來實現可重構元件的可編程運動不同,艾森伯格團隊設計了一種由單一材料(光響應液晶彈性體)制成的微結構柱。鑒于液晶彈性體基本結構的單元排列方式,當光線照射時,其會重新排列且形狀發生改變。

    隨著這種變化會發生兩件事。首先,光線照射的地方變得透明,允許光線進一步穿透到材料中,再導致額外的變形;其次,隨著材料變形和形狀移動,柱子上的一個新點暴露在光線下,導致該區域也改變了形狀。這個反饋回路,推動微結構進入運動循環。

    研究人員表示,“內部和外部反饋循環為我們提供了一種自我調節的材料。一旦你打開燈,它就會自行完成所有工作。當燈關閉時,材料會恢復到原來的形狀”。

    材料的特定扭曲和運動隨其形狀而變化,使這些簡單的結構可“無休止地”重新配置和調整。研究人員使用模型和實驗展示了圓形、方形、L形和T形以及棕櫚樹形結構的運動,并嘗試了材料可調整的所有其他方式。

    研究表明,通過調整一系列參數來編程,可以進行包括照明角度、光強度、分子排列、微觀結構幾何形狀、溫度以及照射間隔和持續時間的變化。

    艾森伯格稱,個體和集體運動的巨大設計空間,意味著柔性機器人、傳感器和強大信息加密系統未來潛在的變革性。

    【總編輯圈點】

    無論是在科幻作品中,還是在現實生活中,機器人給我們留下的印象大都冷冰冰、硬邦邦的,動作也十分機械。這并不能完全滿足我們對機器人的定義和期待。在這一背景下,柔性機器人相關研究應運而生。采用更柔、更薄、更纖細甚至可編程的各種柔性材料,是讓機器人變得更加柔軟、小巧、靈活、智能的重要途徑之一。形式、功能各異的柔性機器人可以執行傳統機器人所不擅長的眾多任務,彌補了傳統機器人之不足,也在不斷拓展我們對機器人的理解和認知。

    (記者張夢然)

    責任編輯:ERM523

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