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科學家利用光調控微型石墨烯蜘蛛運動2019-01-08

中國生物技術發展中心

近期,吉林大學張永來教授、清華大學孫洪波教授與新加坡國立大學仇成偉教授在Advanced Material雜誌上以封面文章線上發表了題為 “Plasmonic-Assisted Graphene Oxide Artificial Muscles” 的研究論文。該論文利用石墨烯與金納米棒複合材料製備了光敏感的仿肌肉驅動器件(HAM),運用巧妙的設計方法,無須集成組裝過程,實現了複雜的肢體動作和多足運動,在光驅動仿生機器人方面取得了突破性的進展。

在仿生機器人的設計中,模仿肌肉作用的驅動部位是實現運動的關鍵。目前,驅動器研究集中於對驅動方法或環境刺激的控制,然而特定的驅動器件往往只能實現單一的變形。此外,目前仿生機器人多採用電驅動方式,需要集成能源部件,或外接能源供給裝置,使得系統在小型化方面受到制約。

針對這一難題,科研者利用石墨烯材料具有良好的導熱性和機械性能,石墨烯氧化物材料導熱性能大大降低的特點,採用鐳射還原石墨烯氧化物對材料導熱性能進行改性,實現“關節”部位導熱性能改變。將具有一定的負熱膨脹係數的石墨烯、石墨烯氧化物材料與具有較大熱膨脹係數的PMMA材料結合,可在光熱條件下產生單一的圓弧狀彎曲,利用鐳射局部還原石墨烯氧化物材料,改性區域的彎曲程度大大提高,回應時間加快,可形成類似肌肉牽拉作用的關節彎曲效果。科研者還進一步加入了金納米棒,提升了材料的光熱轉化效率,加速了膨脹材料的形變。此外,金納米棒材料獨特的波長選擇特性,不僅為光驅動方法提供了光強、時間的調控方法,還增加了波長調控方法。利用這一原理,科研者成功完成了微型仿生蜘蛛的爬行過程、仿生捕蠅草捕獲過程,和仿生手各關節的逐一控制彎曲,體現了HAM設計的靈活性,這一工作為微型仿生機械運動提供了新的設計理念。
 

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