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科学家利用光调控微型石墨烯蜘蛛运动

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  • 时间:2019-01-11
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  近期,吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授与新加坡国立大学仇成伟教授在Advanced Material杂志上以封面文章在线发表了题为 “Plasmonic-Assisted Graphene Oxide Artificial Muscles” 的研究论文。该论文利用石墨烯与金纳米棒复合材料制备了光敏感的仿肌肉驱动器件(HAM),运用巧妙的设计方法,无须集成组装过程,实现了复杂的肢体动作和多足运动,在光驱动仿生机器人方面取得了突破性的进展。

  在仿生机器人的设计中,模仿肌肉作用的驱动部位是实现运动的关键。目前,驱动器研究集中于对驱动方法或环境刺激的控制,然而特定的驱动器件往往只能实现单一的变形。此外,目前仿生机器人多采用电驱动方式,需要集成能源部件,或外接能源供给装置,使得系统在小型化方面受到制约。

  针对这一难题,科研者利用石墨烯材料具有良好的导热性和机械性能,石墨烯氧化物材料导热性能大大降低的特点,采用激光还原石墨烯氧化物对材料导热性能进行改性,实现“关节”部位导热性能改变。将具有一定的负热膨胀系数的石墨烯、石墨烯氧化物材料与具有较大热膨胀系数的PMMA材料结合,可在光热条件下产生单一的圆弧状弯曲,利用激光局部还原石墨烯氧化物材料,改性区域的弯曲程度大大提高,响应时间加快,可形成类似肌肉牵拉作用的关节弯曲效果。科研者还进一步加入了金纳米棒,提升了材料的光热转化效率,加速了膨胀材料的形变。此外,金纳米棒材料独特的波长选择特性,不仅为光驱动方法提供了光强、时间的调控方法,还增加了波长调控方法。利用这一原理,科研者成功完成了微型仿生蜘蛛的爬行过程、仿生捕蝇草捕获过程,和仿生手各关节的逐一控制弯曲,体现了HAM设计的灵活性,这一工作为微型仿生机械运动提供了新的设计理念。 来源:科技部
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