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馬普所中國青年學者最新Adv.Sci.：克服親-疏水性材料結(jié)合難題！?

時間：2023-06-09 來源：瀏覽：

馬普所中國青年學者最新Adv.Sci.：克服親-疏水性材料結(jié)合難題！?

高分子科學前沿高分子科學前沿

高分子科學前沿

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基于電沉積水凝膠技術(shù)開發(fā)出面向復雜環(huán)境的多物理場響應自適應軟體機器人

德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所 Metin Sitti教授團隊 聯(lián)合北京理工大學、西安交通大學的科研人員 在智能微型軟體機器人領(lǐng)域取得重要進展 ，相關(guān)研究成果以 “Electrodeposited superhydrophilic-superhydrophobic composites for untethered multi-stimuli-responsive soft millirobots” 為題發(fā)表在《 Advanced Science 》上，馬普所博后 鄭志強 和聯(lián)合培養(yǎng)博士韓捷為論文的共同第一作者。該成果創(chuàng)新性提出了一種多材料集成策略，通過電沉積/交聯(lián)技術(shù)引入“凝膠根”微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)超親水水凝膠與超疏水彈性體的溫和集成，并基于此制造出一系列多物理場響應（濕、光、熱、磁等）自適應智能微型機器人，驗證了其高效、可控的變形機理，進一步推動了微型機器人的發(fā)展。

基于刺激響應材料體系的智能微型軟體機器人，具有物理智能、易操控、生物友好和魯棒性強等特點，已在生物醫(yī)療、微電子制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。盡管在驅(qū)動技術(shù)和材料探索等方面取得了重大進展，微型機器人在復雜環(huán)境中的適應性仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。如何讓微型機器人在狹小、復雜環(huán)境中實現(xiàn)自主環(huán)境感知，并通過自主變形來切換運動模式以有效減少人為介入，對大幅提升其靈活性和可用性具有重要意義。然而受限于單一智能材料有限的物理場響應和單一變形，以及不同智能材料難以有效組合和功能性編程，軟體機器人智能響應復雜環(huán)境變化并在多種外場刺激下實現(xiàn)復雜功能成為亟待解決的問題。

水凝膠電沉積 – 自內(nèi)而外交聯(lián)“凝膠根”賦能親-疏水材料結(jié)合

針對超親水的濕度響應性干凝膠與超疏水的磁場響應性硅基彈性體（PDMS+NdFeB）高效集成的難點，研究人員提出了利用激光誘導石墨烯作為電極的水凝膠電沉積技術(shù)，實現(xiàn)了超親水-超疏水材料在溫和環(huán)境下的有效結(jié)合。在通過翻模轉(zhuǎn)印技術(shù)將石墨烯從聚酰亞胺膜轉(zhuǎn)移并滲透入PDMS薄膜表面后，將未交聯(lián)水凝膠覆蓋在石墨烯電極上，并利用真空負壓輔助水凝膠在石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)中的滲透。如圖2所示，不同于“自外而內(nèi)”的電沉積交聯(lián)技術(shù)，滲透入電極網(wǎng)絡(luò)中的未交聯(lián)水凝膠在電場誘導下產(chǎn)生“自內(nèi)而外”的交聯(lián)，如植物根系般與石墨烯電極形成緊密的互穿網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)親-疏水材料結(jié)合，賦能雙層異質(zhì)材料多物理場響應特性。

圖2 – “自內(nèi)而外”的電沉積水凝膠技術(shù)原理示意圖

異質(zhì)雙層功能結(jié)構(gòu) – 多物理場快速響應支撐物理智能

基于干凝膠對濕度的快速響應、可編程磁化的復雜運動、雙層結(jié)構(gòu)應力失配的大變形高輸出，以及高自由度的激光圖案化切割制造，所提出的微型軟體機器人實現(xiàn)了濕度響應的復雜仿生形變，多物理場響應的可編程變形/運動控制，濕度/溫度/磁場協(xié)同響應的變形狀/變步態(tài)運動，如圖所示。

多場協(xié)同操控 – 智能微型機器人界的“變形金剛”

多物理場響應特性賦予了微型軟體機器人環(huán)境自適應的物理智能特性，使其可以在不同環(huán)境中自主變形并實現(xiàn)固-液環(huán)境穿越和目標抓取-轉(zhuǎn)移等功能。通過結(jié)構(gòu)變形和磁場控制，微型軟體機器人可以在張開-閉合狀態(tài)中進行形態(tài)切換，在直立行走、車輪形滾動、球形滾動中進行步態(tài)轉(zhuǎn)換，如圖所示。