义乌市中科院兰州化物所功能材料中心

网站首页 > 成果转化 > 最新成果

仿生毛毛虫结构的自爬行驱动装置

  大自然中的生物组织或者器官都具备将物理/化学信号转换为肢体的运动的功能,例如,在自然环境发生变化的时候将神经信号转化为肢体运动。 

  受大自然的启发,科学家们发展了一系列的人造驱动器来模拟这些过程,将外界的变化如:电,热,光,化学能等转化为机械运动。响应性的聚合物最为广泛地被用来制备各种驱动装置,聚合物刷因其特殊的表面物理化学性质,被广泛地用在各种响应性装置中,聚合物刷通过化学键锚固在表面上,且在表面高度取向,在环境发生变化时可以发生可逆的形貌变化。 

  在目前报道的各类驱动装置中,具有湿度响应性的聚合物引起了研究者们的广泛兴趣,因为水是自然界中的生物生存,繁衍的重要资源,同时这种装置比利用复杂的神经反应更容易实际应用。尽管目前报道的驱动器已经实现了各种卷曲运动,但是仍存在着一些问题,如:由于水在驱动装置中的扩散速率较慢,使得驱动速率也较慢,尤其是体积大的驱动装置,驱动速率会更慢,同时在弯曲变化的过程中伴随着大的体积变化,这显然不利于制备精密装置。同时,在大多数情况下,基底形貌对驱动行为有重要的影响,然而研究较少。 

  基于这一努力,最近中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员及其合作者利用仿生毛毛虫结构,通过在具有褶皱结构的PDMS(polydimethylsiloxane)表面接枝响应性的聚电解质刷,实现了具有各向异性,瞬间响应性等性能的驱动器装置,开辟了制备驱动器的新思路。研究者们在PDMS弹性体薄膜表面通过表面引发-原子转移自由基聚合接枝具有湿度响应性的聚电解质刷来模拟毛毛虫的运动,由于聚合物刷在基底表面比其他本体聚合物材料具有更高的结构归整度,有利于水分子在驱动装置中的扩散,提高了驱动的速率。聚合物链在湿度变化时发生可逆的溶胀、收缩,该装置响应性非常快 (< 1 s),同时褶皱的取向决定着卷曲的方向。因此通过控制褶皱,可以制备具有复杂的三维结构,如螺旋,梯度弯曲等。褶皱运动还可以模拟一些生物的取向运动,例如毛毛虫的爬行,通过身体皮肤的扩张收缩来改变皮肤的褶皱的形状和运动。理论上,尽管所有的弯曲装置均可实现自爬行运动,然而在实际的操作中,只有具有快速响应性的装置才有可能实现可视化的爬行。 

 义乌市中科院兰州化物所功能材料中心