可变形的“软机器”会出现在我们的未来吗？科学家研制出光响应材料

　　

　　

　　劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员进一步开发了一种新型软材料，这种材料可以根据光线改变形状，这一发现可能会推动从机器人到医学等各个领域的“软机器”。

　　这种新型材料被称为液晶弹性体(LCE)，是通过将液晶结合到可拉伸材料的分子结构中制成的。科学家和工程师将金纳米棒添加到LCE材料中，创造出光响应墨水和3d打印结构，当暴露在激光下导致材料局部加热时，这些结构可以弯曲、爬行和移动。

　　正如他们发表在《物质》杂志上的论文所描述的那样，LLNL团队与来自哈佛大学、北卡罗来纳州立大学和宾夕法尼亚大学的合作者一起，使用直接墨水书写印刷技术构建了各种光敏物体，包括可以滚动的圆柱体，可以向前移动的不对称“爬行器”和振荡的晶格结构。研究人员表示，通过将形状变形与光响应性相结合，这种新型材料可能会改变人们对机器和材料的看法。

　　“在LLNL，我们已经专注于开发静态材料和结构一段时间了，”首席研究员Caitlyn Krikorian (Cook)说。

　　“我们已经制造了这些复杂类型的结构，比如分层晶格，我们甚至已经开始探索更具响应性的材料，比如形状记忆聚合物，它们具有一次性的形状记忆反应。但实验室并没有深入研究如何创建可以从3d到3d形状变化的建筑。这个项目开始展示建筑和这些新材料如何具有我们以前从未研究过的独特驱动模式。”

　　研究人员说，这种新材料可以用来制造一种“软机器”——一种由这些柔性LCE复合材料制成的机器——能够对外部刺激做出反应，甚至模仿生物体的运动和行为。

　　由变形材料制成的软体机器人可以爬行、游泳或飞行，并探索人类难以进入或危险的环境，如洞穴或外太空。软性机器也可以用于医疗应用，比如可以适应身体运动的植入式设备，或者像天然肢体一样运动的假肢，以及其他由金属或塑料等刚性材料制成的机器无法实现的应用。

　　“刚性机器人可能不是人类互动的理想选择，所以我们需要更柔韧的系统和材料，”该论文的主要作者迈克尔·福特(Michael Ford)说，他在卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)做博士后时开始研究响应性材料。

　　“你从组成我们机器人的组件开始，其中一个组件是执行器。这就是这些材料的来源;它们可能是执行器。它降低了计算复杂度;你正在制造一种材料，可以摆脱机载电子设备，取而代之的是一种可以做所有这些事情的材料。这将允许你在另一个组件中加入更多的计算复杂性，或者为其他传感器提供动力，这是传统刚性材料无法做到的。”

　　研究人员表示，LCE材料的运动主要是由一种称为光热驱动的过程驱动的，该过程涉及将光能转化为热能，从而导致材料产生机械反应。在光、金纳米棒和LCE矩阵之间相互作用的驱动下，该工艺使打印结构能够在响应外部刺激时表现出动态和可逆的运动。

　　“当你有了这种复合材料——在这种情况下，这些金纳米棒在这些液晶弹性体中——它会产生光热效应，”库克解释说。

　　“在红外光的作用下，它会产生加热效应，导致排列的分子变得不对齐。在这个错位的过程中，如果有均匀的加热，你就会有一个整体的形状变化。但在这种情况下，我们可以有局部的热量变化，这就是你如何让这些局部形状区域变形来做运动之类的事情。”

　　在这项研究中，研究人员使用了一个包含摄像头和跟踪软件的计算机视觉系统来控制打印圆柱体的运动。跟踪系统监测滚动滚筒的位置，并不断调整激光器的位置以光栅化滚筒的边缘。这种连续的跟踪和调整允许气缸以受控的方式保持其滚动运动。

　　通过利用计算机视觉和光热驱动圆柱体，研究人员实现了对软机器运动的复杂操纵，展示了软机器人和软机器领域先进控制系统的潜力。该团队还表明，可以控制反应能力，这样软机器就可以执行有用的任务，比如移动的圆柱体携带电线。

　　合著者伊莱恩·李说:“[主要作者福特]在使用计算机视觉控制打印圆柱体的运动和使用光栅激光迫使其移动方面做了一些令人敬畏的工作。”

　　“但是一旦你开始进入更复杂的运动——比如在印刷晶格上使用不同的光栅速度和光强度，导致它以各种不同的模式移动——这些实际上超出了我们的高性能计算(HPC)模拟能够预测的范围，因为这些代码期望在晶格上均匀加热或刺激。”

　　“因此，使用计算机视觉和机器学习来了解驱动速度以及光的剂量可以导致印刷建筑的运动，这将使我们进一步了解我们的材料将如何响应。”

　　研究人员表示，在将这种材料用于实际应用之前，仍有一些挑战需要克服。研究小组发现，他们创造的结构可能会翻转或表现出其他不可预测的运动，从而使设计特定的运动模式变得困难。

　　他们表示，他们将继续研究能够描述复杂运动的模型，以更好地设计未来的机器，并开发新的材料和制造技术，以创造更耐用、更可靠、更高效的软机器，适用于各种应用。他们说，新的控制系统和计算机算法也可以使软机器以更智能、更自主的方式移动和与环境互动。

　　库克说，该团队正在考虑将对不同类型刺激的反应，除了热和光刺激，纳入湿度和能量吸收以及材料在太空中可能经历的条件等领域。她补充说，该团队正在考虑在实验室启动一项新的战略计划，专注于自主材料，并“推动”有感知的材料。

　　库克说:“我们都在想办法让材料变得更自主，更有感情，可以感知、反应、编程、学习、决定和交流。”

　　“这些液晶弹性体是反应性材料——它们能够感知刺激并做出反应，并且每次都会重复做出反应——但它没有记忆感，也没有学习重复刺激并做出相应反应的方法。除了可能与某种类型的机械计算配对之外，它还没有通信的手段。这些确实是我们正在努力开发的材料，这可能需要5到10年的努力。”

　　更多信息:Michael J. Ford等人，光的运动:印刷液晶弹性体的光响应形状变形，Matter(2024)。引用本文:变形的“软机器”是我们的未来吗?科学家推进光响应材料(2024,2月12日)检索自2024年2月12日https://techxplore.com/news/2024-02-shifting-soft-machines-future-scientists.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。