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中科院理化所江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì) AFM：在偶氮苯聚合物薄膜的光驅(qū)動(dòng)連續(xù)跳躍機(jī)器人方面取得新進(jìn)展
2024-12-06  來源：高分子科技

  跳躍是自然界生物的一種非常有效的運(yùn)動(dòng)手段，可以在瞬間穿越中長距離，以實(shí)現(xiàn)捕獵及逃避被獵捕的目的。自然界生物跳躍的機(jī)理主要有兩種，長腿動(dòng)物(比如袋鼠和青蛙)主要依靠杠桿作用，使它們能夠用較少的力量跳躍同樣的距離；一些短腿或無腿動(dòng)物(比如果蠅幼蟲和跳蚤)依靠快速彈射動(dòng)作釋放儲存的能量來實(shí)現(xiàn)跳躍；還有一些昆蟲(比如蚱蜢和沫蟬)同時(shí)利用這兩種設(shè)計(jì)理念(圖1)。其中，磕頭蟲是一種有趣的昆蟲，當(dāng)被人類捉住時(shí)，它們會(huì)不斷地用力向前傾斜頭部，仿佛在進(jìn)行一場無聲的“磕頭”儀式懇求釋放。原來磕頭蟲的前胸背板具有非凡的靈活性。在其前胸腹板的中央稍后部位，有一個(gè)尖銳的刺狀結(jié)構(gòu)。每當(dāng)它的頭部與胸部向腹部彎曲時(shí)，這個(gè)突出的部分就會(huì)巧妙地嵌入到胸腹前緣的溝槽中。當(dāng)它再次挺胸時(shí)，突出體從溝槽中彈射出來，撞擊地面，產(chǎn)生的后沖力足以使其彈跳起來掙脫。由此可見，磕頭蟲那看似虔誠的“磕頭”行為，并非出于對人類的求饒，而是一種本能的自我防衛(wèi)機(jī)制，用以擺脫束縛。如視頻1所示當(dāng)將它肚皮朝上放在地面，他會(huì)來一個(gè)鯉魚打挺彈射出去，掙脫捕食者。


  受這些自然界跳躍機(jī)制的啟發(fā)，科學(xué)家們利用新型材料和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模仿生物系統(tǒng)中的快速能量存儲和釋放過程，制造出了多種創(chuàng)新的跳躍機(jī)器人。其中，光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器具有成本效益高、無線驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。偶氮苯液晶(LCs)因其偶氮苯介質(zhì)的反-順式光異構(gòu)化而成為一種有前途的光響應(yīng)材料。基于偶氮苯的致動(dòng)器已從基本的彎曲、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)展到在微型機(jī)器人和液體運(yùn)輸中的新型應(yīng)用。但是，基于偶氮苯的光致動(dòng)器的高效跳躍行為仍相對缺乏探索。


  中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì)在前期的工作中，通過設(shè)計(jì)制備一面為光響應(yīng)偶氮苯均質(zhì)膜，一面為偶氮苯反蛋白石的具有Janus結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)材料，實(shí)現(xiàn)了在液相中的光驅(qū)動(dòng)性能研究；利用光化學(xué)/光熱模式的協(xié)同驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生多個(gè)驅(qū)動(dòng)方向，具有更大的驅(qū)動(dòng)力 (Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2105728; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 12383-12392; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 1727-1739) 


  近日，該研究團(tuán)隊(duì)受具有特殊卡扣結(jié)構(gòu)的磕頭蟲啟發(fā)，他彎曲身體積蓄彈性勢能，然后身體猛然伸直釋放能量實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)跳躍的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了類磕頭蟲卡扣結(jié)構(gòu)的光跳躍材料：通過選用具有熱弛豫時(shí)間短的偶氮苯分子，制備具有展曲(splay)取向的偶氮苯膜材料，開發(fā)了一種Janus光驅(qū)動(dòng)跳躍軟機(jī)器人，在紫外線照射下，它能在66.8ms內(nèi)完成一次完整的跳躍，其跳躍高度可達(dá)35個(gè)體長(BL)，起飛速度為670 BL/s。所制備的Azo-LCN 薄膜應(yīng)力為36.27 兆帕，應(yīng)變?yōu)?/span>6.5%，可循環(huán)使用50 次以上。這項(xiàng)研究將有助于設(shè)計(jì)新型致動(dòng)器和拓寬偶氮苯致動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域，可能為探索、搜索和救援等新應(yīng)用提供思路。所采用的偶氮苯分子(命名為Azo-A)具有較短的熱弛豫時(shí)間(其在90 ℃ 時(shí)的半衰期小于1 s)，能夠在光的作用下快速彎曲和恢復(fù)，從而能產(chǎn)生快速自主恢復(fù)的連續(xù)跳躍行為(視頻2)。樣品的splay取向是將樣品的一側(cè)分子采取平行取向(PA)而另一側(cè)分子采取垂直取向(VA)的模式，從而使樣品在光刺激下產(chǎn)生向PA側(cè)的凈彎曲變形。


  2024年11月27日，相關(guān)研究結(jié)果“Click-Beetles-inspired Light-driven Continuous Jumping Robots Based on Janus Azobenzene Polymer Films”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該文章通訊作者為王京霞研究員。中國科學(xué)院理化所博士生況真欣為文章第一作者，中國科學(xué)院理化所江雷院士為本研究提供了專業(yè)指導(dǎo)和幫助。


圖1. 自然界中跳躍的動(dòng)物。(a) 袋鼠，(b) 青蛙，(c) 果蠅幼蟲，(d) 跳蚤，(e) 蚱蜢，(f) 沫蟬。



圖2. (a) 如圖1a所示，帶有PA(i)或VA(ii)的液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)(LCN)在熱刺激下會(huì)發(fā)生收縮或膨脹變形。制備的樣品具有展曲取向(iii)，材料的一側(cè)為PA，另一側(cè)為VA。(b) RM23、RM82和Azo-A的分子結(jié)構(gòu)。(c) 磕頭蟲的跳躍過程和相應(yīng)的Azo-LCN 薄膜的跳躍示意圖。 i) 初始狀態(tài)(薄膜向 VA 側(cè)微微彎曲)；ii) 骨骼肌緩慢地將彈性能量儲存在身體和胸腔鉸鏈中，使身體處于彎曲位置(“鎖定 ”位置)(內(nèi)部微變形導(dǎo)致的向PA側(cè)的宏觀變形優(yōu)先使薄膜擺脫初始形狀，變得平整。)；iii) 當(dāng)觸發(fā)時(shí)，閂鎖被松開，甲蟲的身體迅速展開(持續(xù)的紫外線刺激照射使薄膜向PA側(cè)的變形突破初始狀態(tài)，累積的變形被均勻釋放，向PA側(cè)產(chǎn)生較大的彎曲變形，此時(shí)產(chǎn)生的力與桌面相互作用，使其跳起)。(d) Azo-LCN完整跳躍/下落過程的詳細(xì)照片和示意圖(含曲率變化)，薄膜在紫外線照射后66.8 ms內(nèi)跳起27 mm高。


圖3. (a)薄膜的掃描電子顯微鏡圖像，表面頂部掃描電子顯微鏡(左)顯示其表面光滑無裂紋，截面掃描電子顯微鏡(右)顯示其厚度為30 μm。(b) 薄膜的TEM圖像，聚合物的PA面(左)與VA面(右)相比，顯示出明顯的取向。薄膜PA面(c)的原子力顯微鏡圖像顯示了取向方向，薄膜VA面(d)沒有明顯的取向跡象。(e) 薄膜PA的POM結(jié)果，0°和45°觀察結(jié)果顯示出明顯的明暗變化，表明取向情況良好。(f) 錐光模式下的POM圖像，顯示出代表垂直取向的馬耳他十字圖像。


圖4. (a, b)紫外光從VA(a)或PA(b)側(cè)射入時(shí)樣品驅(qū)動(dòng)的示意圖和照片，均是薄膜向 PA 側(cè)彎曲90°。光線熄滅后，樣品恢復(fù)到初始狀態(tài)。(c) 薄膜光驅(qū)動(dòng)前后結(jié)果示意圖(帶曲率)。插圖是巴掌手鐲在受刺激變形前后曲率變化的照片。(d) 薄膜驅(qū)動(dòng)器彎曲角度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，顯示薄膜在光照射3秒內(nèi)發(fā)生了90° 的彎曲變形。關(guān)燈后，薄膜的彎曲變形在1秒內(nèi)恢復(fù)。(e) 薄膜驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度隨光照強(qiáng)度變化的示意圖，圖中顯示，在光照強(qiáng)度較低時(shí)，僅會(huì)產(chǎn)生較小的變形，而當(dāng)光照強(qiáng)度大于1.75 W/cm2時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生快速、巨大和強(qiáng)烈的變形。當(dāng)功率密度超過1.85 W/cm2時(shí)，光源會(huì)過熱并損壞薄膜，但薄膜仍能正常工作。(f) 薄膜致動(dòng)器的循環(huán)測試結(jié)果，可反復(fù)循環(huán)100 次而不會(huì)產(chǎn)生疲勞。


圖5. (a) 膜跳/落全過程的實(shí)際過程。(b) 膜跳躍完整過程示意圖。(c) 膜跳躍過程中高度和速度的變化，最大起飛速度可達(dá) 670 毫米/秒(670 BL/秒)，最大跳膜高度為 23.1 毫米(23.1 BL)。(d) 跳躍高度隨光照強(qiáng)度的變化表明，跳躍高度與光照強(qiáng)度成正比，但光照強(qiáng)度超過1.85 W/cm2的過熱光源會(huì)損壞膜，但此時(shí)膜仍能跳躍。(e) 實(shí)時(shí)三維薄膜致動(dòng)變形監(jiān)測，顏色和數(shù)據(jù)說明了z軸上的形狀變量，過程可分為三個(gè)階段。從過程1的顏色和數(shù)據(jù)可以看出薄膜向VA側(cè)變形并繞x軸彎曲時(shí)的初始形狀，展示了用于儲能的結(jié)構(gòu)變形。過程2的顏色和數(shù)據(jù)顯示，薄膜在紫外線照射下開始向PA側(cè)彎曲變形，這涉及到能量存儲，導(dǎo)致應(yīng)力變化。過程3的顏色和數(shù)據(jù)顯示，在紫外線的持續(xù)照射下，薄膜開始向PA側(cè)變形，并繞y軸彎曲。其原因是薄膜中儲存的能量超過臨界值后突然釋放，導(dǎo)致薄膜彈向空中。(f) 通過觀察薄膜的行為分析跳躍原理。紫外線提供能量，能量儲存在Azo-LCN帶中。當(dāng)點(diǎn)光源照射薄膜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向下的膨脹力。由于初始形態(tài)的原因，薄膜有一個(gè)變形能量閾值。當(dāng)儲存的能量達(dá)到閾值時(shí)，會(huì)突然釋放，產(chǎn)生一個(gè)快速向上的合力，導(dǎo)致薄膜跳躍。


圖6. (a) 在紫外線(1.75 W/cm2)的刺激下，條帶機(jī)器人可以通過跳躍跳上20 mm高的樓梯，高速攝像機(jī)對此進(jìn)行了記錄。(b) 在高速攝像機(jī)的記錄下，該條紋機(jī)器人可以模擬投石器，并成功投擲出一個(gè)小物體。(c) 本文使用的薄膜跳躍高度和跳躍速度與文獻(xiàn)比較，本研究提出的機(jī)器人可跳躍至35 BL的高度，跳躍速度可達(dá)0.67 m/s。


  研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：52373001, 51873221, 52073292, 51673207, 51373183, 21988102, 22205246)及中荷國際合作項(xiàng)目(1A111KYSB20190072)，陜西省化學(xué)與生物學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目(23JHQ079)，西安理工大學(xué)科研基金(109-451023008)等的資助支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202421111

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