《自然·通讯》:形貌可定制的光控无绳柔性机器人

石墨烯具有极其出色的力学性能,受到了学术界和工业界的广泛关注。例如,石墨烯在拉伸载荷下,理论模量和理论强度分别可达1 TPa和130 GPa。然而,它在压缩载荷下的力学性能却鲜有提及和关注。这也许是因为人们都默认它和大多数材料一样,在拉-压载荷下的力学性能是对称的吧。事实真的是这样吗?

近日,香港理工大学姚海民课题组和中科院宁波材料所陈涛课题组合作,发现了石墨烯堆叠聚集体(stacked graphene assembly ,简称SGA)在拉伸和压缩时的力学性能并不对称。他们进而巧妙地利用了该特殊的力学行为,实现了形貌可编辑的无系绳软体机器人。相关工作以“Asymmetric elastoplasticity of stacked graphene assembly actualizes programmable untethered soft robotics”为题,发表于国际顶尖学术期刊《自然-通讯》。陈涛课题组的王帅博士和姚海民课题组的博士生高阳同学和危安然同学为论文共同第一作者,姚海民教授和陈涛研究员、肖鹏副研究员为论文的共同通讯作者。

该研究首先利用Langmuir-Blodgett技术将多层石墨烯片层转移到了聚乙烯(简称PE)膜表面,从而组装制备了SGA/PE双层膜结构。由于石墨烯具有远小于PE的热膨胀系数,当温度升高时,由于热应变错配,SGA/PE双层膜就会朝着SGA层的方向迅速发生卷曲,俨然就是一个热致传感器或驱动器(见图1a,d);更有趣的是,研究人员发现,如果将SGA/PE双层膜在受限空间下进行先升温后降温的“回火”预处理后,回到室温下的SGA/PE双层膜在解除外部约束后即呈现卷曲形态。但卷曲方向与原来相反(即SGA将PE层包裹在内),且卷曲程度可以由回火温度控制(见图1b,c)。卷曲的SGA/PE膜也同样具有热致变形的能力。如果再次受热,则能够变形恢复到展平的状态甚至反卷(见图1e)。

《自然·通讯》:形貌可定制的光控无绳柔性机器人

图1. SGA/PE双层膜的热致变形行为示意图。(a-c) 受限“回火”预处理过程; (d, e) SGA/PE在“回火”预处理前后的热致变形行为对比。“回火”预处理后,原本平直的SGA/PE驱动器将在室温下发生卷曲,且卷曲方向与未经“回火”预处理的相反。“回火”预处理后的SGA/PE,再次升高温度后能够变形展平甚至反卷。

进一步研究发现,此特殊形变方式是由SGA在拉伸和压缩时呈现的非对称力学行为造成的(见图2a)。分子动力学模拟显示,SGA在拉伸时由于内部各石墨烯片层之间不可逆的相对滑动而表现出宏观的塑性(即形变不可恢复)(见图2b)。相反,在压缩时,SGA由于可逆的屈曲褶皱变形表现出宏观的高弹性(即形变可恢复)。正是由于这一特性,受限条件下的“回火”预处理过程使SGA/PE双层膜的内部产生了残余应力,从而使其释放后发生相反方向的卷曲变形。根据此拉-压非对称的弹塑性本构关系,研究人员建立了有限元力学模型,准确地数值再现了SGA/PE的热致形变行为。

《自然·通讯》:形貌可定制的光控无绳柔性机器人

图2. (a) 分子动力学模拟计算得到的SGA在拉-压载荷下的应力-应变曲线呈现出非对称的弹塑性。(b) SGA在拉伸和压缩时的变形机制:拉伸时石墨烯片层间不可逆的滑移造成了塑性;而压缩时可逆的屈曲皱褶变形造成了弹性。(c) “回火”预处理后SGA/PE弯曲曲率与回火温度、SGA厚度的依赖关系。

接下来,研究人员将SGA/PE的变形能力进行了更深入的挖掘。他们利用非连续的SGA排布以及局部“回火”预处理等方法,编辑出了形貌各异的柔性热致驱动器(见图3)。

《自然·通讯》:形貌可定制的光控无绳柔性机器人

图3. “回火”处理后SGA/PE可实现多种复杂形貌。

同时,他们还将这些不同形貌的SGA/PE驱动器作为零部件进行组装,开发出了更加复杂的柔性驱动器,例如仿生含羞草(视频1)、仿生睡莲(视频2)、仰卧起坐机器人(视频3)等。进一步,研究者还发现,“回火”预处理过的SGA/PE卷筒,在水平红外光的照射下能实现定向及转向运动,并具备一定的爬坡与越障能力。更复杂的功能,如货物装载、运输、卸载等,均可通过控制红外光的照射角度实现(视频4)。

小结:

此研究工作利用了SGA在拉-压条件下的非对称力学性能,实现了软体机器人形貌的可定制化。这一发现为开发形状复杂的驱动器开辟了道路。更重要的是,由此方法开发得到的SGA/PE柔性机器人能够实现光/热控的无系绳运动。本工作不仅为无系绳软体机器人、可重构系统提供了一种新的实现策略,而且为低维材料在柔性智能材器件上的应用提供了新的思路,是力学作为传统工程学科助力新工科发展的一次成功实践。

相关新闻

微信