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東北大學田野團隊 NML:仿生多功能自感知驅動的梯度水凝膠用于軟硬機器人的遠程交互
2024-01-10  來源:高分子科技

  大自然為軟機器人的發展提供了大量靈感。許多生物,如人類的舌頭、水母的觸手和含羞草的葉子,不僅可以在大范圍內靈活形變,而且具有自我感知能力。為了模擬這些自然系統,研究人員通過結合軟致動器和柔性傳感器來開發仿生軟機器人。然而,一個普遍的限制是大多數軟致動器雖然能夠形成復雜的形狀,但缺乏感知外部刺激和監測自身運動的能力,而直接嵌入傳感器容易導致軟機器人設計和制造的復雜性增加,在環境交互中的應用中受到阻礙。因此,開發一體化仿生多功能自感知軟機器人已成為一個引人注目的課題。


1. 自感知驅動梯度水凝膠的合成、性能和應用示意圖


  近期,東北大學醫學與生物信息工程學院田野副教授團隊提出了一種簡單而有效的親水性差異方法,制備了一種受生物啟發的多功能一體化自感知驅動梯度水凝膠,它具有超快速致動高靈敏度傳感的能力,進而實現了軟硬機器人之間的遠程交互。梯度網絡結構的形成是通過引入MoO2納米片快速沉淀進而在水凝膠兩側產生了聚合物鏈的親水性差異。這種獨特的方法賦予水凝膠超快的熱響應致動(21°/s)和良好的光熱效率(3.7 °C /s, 808 nm NIR)。同時,利用與Ca2+的局部交聯賦予水凝膠可編程驅動和信息顯示能力。此外,該水凝膠還表現出高傳感靈敏度(在600%的寬應變范圍內應變系數為3.94)、快速響應時間(140 ms)和循環穩定性。利用這些優異特性,將水凝膠融入軟機器人(軟抓手、人工虹膜和仿生水母)和可穿戴電子設備中(精確檢測人體運動和生理信號)。通過結合物聯網技術,量化了自感知水凝膠致動器的實時電阻和驅動角度關系,并構建了近紅外刺激-自感知水凝膠致動器-藍牙交互機械手的遠程控制系統,實現了軟硬機器人之間的遠程交互。本研究提出的多功能自感知驅動梯度水凝膠為先進體感材料、自反饋智能軟機器人和人機交互柔性電子提供了新的見解。

 

2. PSM水凝膠的合成與表征

 

3. PSM水凝膠的熱響應驅動

 

4. PSM水凝膠的光響應驅動

 

5. PSM水凝膠的可編程變形和信息顯示


 6. PSM水凝膠的傳感性能


 7. 自感知仿生人工舌頭

 

8. 軟硬機器人遠程交互系統


  該研究工作以Bioinspired Multifunctional Self-Sensing Actuated Gradient Hydrogel for Soft-Hard Robot Remote Interaction為題發表在國際知名學術期刊Nano-Micro Letters(影響因子:26.6。東北大學博士研究生劉赫為論文第一作者,崔笑宇副教授和田野副教授為論文共同通訊作者。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1007/s40820-023-01287-z

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(責任編輯:xu)
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