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華中大丁漢院士、吳志剛教授團隊 ACS AMI: 電子競爭合作機理調(diào)控得到梯度多孔彈性體
2022-11-02  來源：高分子科技

  面對復(fù)雜/非結(jié)構(gòu)化的應(yīng)用場景，軟體機器人有必要配備智能化的機械結(jié)構(gòu)，例如具有可編程形態(tài)和各向異性實時響應(yīng)的結(jié)構(gòu)感知一體化本體。多介質(zhì)得益于其內(nèi)部豐富的孔隙分布，可以集成承載多種功能單元，有望作為機器人結(jié)構(gòu)感知一體化界面和本體。但是當(dāng)前多孔介質(zhì)中，孔的大小多是從納米級到微米級且孔的分布是隨機的，從整體上看是各向同性的，不僅大大降低了與外界交互時的各向異性，而且也難以勝任毫米甚至厘米尺度的軟體機器人作業(yè)。因此，對于軟體機器人常用的彈性體如硅橡膠，亟需開發(fā)一種結(jié)構(gòu)與傳感一體化的各向異性本體的可控制備手段。


  近期，華中科技大學(xué)機械學(xué)院丁漢院士與吳志剛教授團隊發(fā)現(xiàn)了基于元素Ga、N與Pt之間的電子競爭關(guān)系，并用于調(diào)控梯度分布多相混合物（液態(tài)金屬galinstan+NH4HCO3+硅橡膠PDMS）在高溫加熱下（120 °C）熱分解產(chǎn)生的氣泡的行為，實現(xiàn)重力方向的孔徑梯度分布（從800 μm到3.2 mm）的內(nèi)部互相連通的梯度多孔結(jié)構(gòu)（Gradient Porous Structure, GPS）（如圖1）。該團隊從分子反應(yīng)至宏觀結(jié)構(gòu)層面探究并分析了電子競爭與合作的機理與梯度多孔的成型過程（圖2）；提出了通過改變液態(tài)金屬、NH4HCO3的用量對孔的大小和梯度分布的調(diào)控手段，并對相應(yīng)機械性能進行了表征（圖3）；提出了對孔內(nèi)表面進行功能層集成的涂覆技術(shù)，并對GPS的電學(xué)和力學(xué)性能進行調(diào)控與表征（圖4）；基于此，制備了一個具有超寬傳感檢測范圍（從135Pa到2.3MPa）的動態(tài)觸覺識別界面（圖5）與結(jié)構(gòu)感知一體化的GPS仿生象鼻子抓手（圖6）。 



圖1 梯度多孔結(jié)構(gòu)機理、性能與應(yīng)用的概念總覽 


圖2 梯度多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)造過程與電子競爭合作機理 


圖3 機械性能調(diào)控與表征 


圖4 功能層構(gòu)造表征與重構(gòu) 


圖5 多剛度物體識別的GPS界面 


圖6 線驅(qū)仿生各向異性一體化多孔象鼻子


  此工作不僅為軟體機器人本體結(jié)構(gòu)傳感一體化提供了新的材料與制造思路，而且也拓展了液態(tài)金屬在催化調(diào)控領(lǐng)域的作用。該工作以“Partial Liquid Alloy Microdroplet Sedimentation Induced a Gradient Porous Structured Elastomer with a Tunable Property for an Anisotropic Robotic Bulk”為題被選為封面發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。共同第一作者是博士后張碩與博士生宗子盛，通訊作者為博士后張碩與吳志剛教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委（52188102 和U1613204）和中國博士后科學(xué)基金（2021M701311和BX20220126）的支持。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12384

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