?“氣到起飛”的水凝膠驅(qū)動(dòng)器

還以為水凝膠驅(qū)動(dòng)器仍停留在水中低速驅(qū)動(dòng)嗎?No!《Nature Communication》最新發(fā)文,在空氣中工作的光敏水凝膠驅(qū)動(dòng)器,運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到1.6 m/s,超過正常人步速(1.5m/s),響應(yīng)速度快 (800 ms)并可選擇方向進(jìn)行彈射(15 cm)。

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蘇州大學(xué)董彬教授團(tuán)隊(duì)采用“懸浮聚合法”制備了一種殼狀結(jié)構(gòu)的水凝膠驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器由表面殼及內(nèi)芯構(gòu)成。聚丁二烯橡膠(PBR)構(gòu)成的外殼可以有效防止水凝膠的水分散失到空氣中,內(nèi)芯為半徑為1 mm納米四氧化三鐵-丙烯酸鈉(PAANa-IONP)復(fù)合球型水凝膠(圖1a)。帶正電(+18mv)的具有油胺表面配體的納米Fe3O4同帶有負(fù)電的PAANa水凝膠(-24 mV)可以通過靜電相互作用緊密結(jié)合在一起 (圖1b),且Fe3O4在800-850nm波段光線具有良好的吸收性能并能夠?qū)⒐饽?近紅外光)轉(zhuǎn)化為熱能。因此,復(fù)合水凝膠能夠在輻照區(qū)產(chǎn)生局部溫度變化,進(jìn)而汽化凝膠內(nèi)部水分,瞬間改變凝膠形狀,從而完成熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化(圖1c-f)。

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圖1. (a)水凝膠驅(qū)動(dòng)器的制備流程 (b)驅(qū)動(dòng)器示意圖(左)、驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(右) (c) 驅(qū)動(dòng)器跳躍示意圖(2.34 W) (d)驅(qū)動(dòng)器跳躍 (2.34 W)照片 (e)驅(qū)動(dòng)器滾動(dòng)示意圖(2.34 W) (f)驅(qū)動(dòng)器滾動(dòng)(2.34 W)照片

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為納米Fe3O4的光熱作用可以使水凝膠驅(qū)動(dòng)器的溫度迅速升高,導(dǎo)致水凝膠內(nèi)輻照區(qū)域內(nèi)的水蒸發(fā),并迅速形成氣泡(圖2a),快速膨脹地局部突起撞擊基底,反作用力為跳躍和滾動(dòng)行為提供驅(qū)動(dòng)力,并通過高速攝像機(jī)、熱成像和計(jì)算機(jī)模擬研究了跳躍行為的機(jī)理。光照條件下,水凝膠驅(qū)動(dòng)器中瞬間(3.2ms)出現(xiàn)的氣泡(圖2b-e),光照后驅(qū)動(dòng)器的溫度由22℃升高到126℃(圖2f-h),超過水的沸點(diǎn)。

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圖2. (a)水凝膠驅(qū)動(dòng)器的局部形狀變化及其在光照射下的水汽化過程 (b-e)水凝膠驅(qū)動(dòng)器在水凝膠驅(qū)動(dòng)器底部2.34 W光照射下的起飛過程 (f)光照射前驅(qū)動(dòng)器紅外熱圖像 (g)光照射后驅(qū)動(dòng)器紅外熱圖像 (h)跳躍過程中的溫度變化

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起飛瞬間

水凝膠驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)(跳躍和滾動(dòng))速度與水含量、納米Fe3O4含量和驅(qū)動(dòng)器的尺寸有很大的關(guān)系。水凝膠驅(qū)動(dòng)器在照射下產(chǎn)生的水蒸氣數(shù)量有限,所以水含量低(只能產(chǎn)生較小的氣泡)以及水含量高(降低光熱效應(yīng)造成的加熱效率),均會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)速度;納米Fe3O4含量高時(shí)凝膠柔韌性降低進(jìn)而氣泡誘導(dǎo)變形變小,反作用力小;尺寸小的驅(qū)動(dòng)器變形區(qū)域小、尺寸大的驅(qū)動(dòng)器重量過大,均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度的下降。通過大量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的最佳水含量為60% wt.%,最佳Fe3O4含量為2%,最佳半徑為1mm。探究人員通過調(diào)節(jié)激光功率和照射位置,可以實(shí)現(xiàn)水凝膠驅(qū)動(dòng)器不同的運(yùn)動(dòng)行為(跳躍或滾動(dòng)),在激光功率為0.04 ~ 0.39 W之間滾動(dòng),在0.39 ~ 0.67 W之間可以跳躍或滾動(dòng)(取決于照射位置),在0.67 ~ 2.34 W跳動(dòng)。

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圖3. (a)跳過障礙物 (b)滾過斜坡 (c)穿過狹縫 (d)穿過透明的z形管道

滾動(dòng):

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跳躍:

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穿越:

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基于精確的控制,該水凝膠驅(qū)動(dòng)器在不同的環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的適用性。水凝膠驅(qū)動(dòng)器不僅可以跳過障礙(最大高度14cm),也可以在傾斜基底上快速滾動(dòng)。目前該水凝膠驅(qū)動(dòng)器的最大翻轉(zhuǎn)角度為15°,可以連續(xù)通過1.6mm的狹縫。有趣的是,水凝膠驅(qū)動(dòng)器在復(fù)雜環(huán)境(如透明z管)中移動(dòng)時(shí),能夠表現(xiàn)出復(fù)雜的滾動(dòng)和跳躍組合行為(圖3a-d)。

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跳躍障礙

光驅(qū)動(dòng)是一種無拴推進(jìn)方法,適用于在狹小封閉的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng),這是手動(dòng)操作無法實(shí)現(xiàn)的。該水凝膠驅(qū)動(dòng)器具有良好的耐久性,規(guī)避了普通水凝膠驅(qū)動(dòng)器需要的液體環(huán)境,在機(jī)器人技術(shù)、生物技術(shù)和其他微型裝置的廣泛應(yīng)用中具有很大的潛力。

 

 

文章鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17775-4

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