新资料能让显示器自己修复,又软又暖的大白或

2019-10-21 08:16栏目:奥门新萄京娱乐场
TAG:

三年前,迪士尼出品了动画电影《超能陆战队》,其中的机器人大白,萌翻了广大群众。

美国加州大学河滨分校的科研人员开发出一种具有延展性并能导电的透明聚合物材料,可实现电子设备和机器人的自我修复,特别适用于手机屏幕和手机电池。该研究成果将在近期举办的第253届美国化学学会年会上展出。 自我修复材料是一种在物体开裂或受损时能自动进行修复的新型材料,人类皮肤就具备自我修复的能力。自我修复材料可应用于手机和电池上,让摔裂的手机屏修复如新,或让摔断的电池恢复供电功能。 自我修复的关键是化学键。材料中存在两种类型的键:一种是较强的共价键,一旦断裂不容易重新整合;另一种是较弱的非共价键,非常有活性,比如氢键。大多数自我修复聚合物主要依靠氢键或金属配体构成,但这些非共价键并不适合制造离子导体。 此次,研究人员采用了离子偶极相互作用的非共价键,其具备一种特殊的黏合力,这种力存在于带电离子和极性分子之间。离子偶极相互作用此前从未应用于设计自我修复聚合物,新实验证明,其特别适合离子导体。 新的自我修复材料由一种极性可延展的聚合物——偏氟乙烯和六氟丙烯聚合物以及离子盐构成,可以拉伸到正常尺寸的50倍,其断为两半后,能在一天之内实现完全自动对接。 为了测试新材料,研究人员利用它制作了一种“人造肌肉”,在两层离子导体间放置了一个绝缘膜。结果显示,新材料可对电信号作出反应,带动人造肌肉移动。 目前,研究人员正在高湿度环境等恶劣条件下对此材料进行测试。此前的自修复聚合物在高湿度环境下表现不佳,因为材料进水后,会改变机械性能。他们正在对聚合物进行微调,以使其更接近实际应用。

图片 1大白是一种典型的软体机器人,身体可任意变形。图片来源: Disney Wiki

大白是一个医疗机器人,如果在材质上分类,他属于软体机器人。传统机器人大多采用金属或塑料等材料制造,给人的感觉总是“硬邦邦”的。而软体机器人往往非常柔软,整个机体能任意弯曲变形,可以在管道或窄缝等特殊场景中发挥用处。

图片 2五花八门的软体机器人。图片来源:参考文献[1]

目前,制造软体机器人的材料通常是弹性高分子材料。这类材料弹性十足,然而却很容易受损,特别是出现了微小缺口的时候,极易“恶化”,形成大面积破损。这也是包装袋从小缺口处一撕就开的原理。

此外,大多数软体机器人都不具有马达等动力装置,只能依靠压缩空气或液体驱动机体运动[2],运行中的软体机器人就如同一个吹鼓了的气球。然而,软体机器人的应用场景往往充满了尖锐的物体——比如管道或者狭窄空间的边边角角——也就是说,这个吹鼓了的气球还必须在钉子堆里工作。可想而知,软体机器人大多“短命”。

为了解决这一问题,来自比利时自由大学的研究人员提出了使用自修复(self-healing)材料来制造软体机器人的构想[2]

自修复材料是指具有自愈合能力的智能材料,其灵感来源于受伤后能自我修复的生物体。这一概念在2001年一经提出,立刻吸引了大量研究者的目光。现如今,已经有很多种自修复材料得到了应用,比如汽车的自修复涂层,能愈合划痕的手机盖等。具备自修复能力的沥青和混凝土,也走出了实验室,正在准备进入建材市场。值得一提的是,极具潜力的人造皮肤首选材料也是可拉伸的自修复膜[3]

在比利时自由大学的研究中,科学家们使用了一种高分子自修复材料。这种材料由两种小分子(呋喃、马来酰亚胺)通过Diels-Alder(DA)键相互连接形成。材料出现伤口,其实是这些DA键被切断了。幸好,通过加热,可以让这些DA重新连接起来。具体来说,就是升高伤口部位的温度(至80℃),破坏更多DA键。正所谓“不破不立”,这些DA键断了后,释放出很多可以自由运动的呋喃和马来酰亚胺小分子。而且也因为温度高的缘故,这些小分子的移动速度很快,如同热锅上的蚂蚁。于是,这些自由奔跑的小分子们相互碰撞交融。之后把温度降下来,小分子之间就可以生成新的DA键,自动愈合伤口。

图片 3基于DA反应的自修复原理:红脸的呋喃,绿脸的马来酰亚胺。图片来源:圆的方块灵魂手绘

图片 4高倍显微镜下观察材料的自修复过程。在高倍显微镜下,可以更为细致地观测到这个愈合过程。画面正中,一条切口将的材料分成了左右两半,为了加强对比,研究者还将两边渲染成了不同的颜色。随着温度的逐渐升高,材料会“唰”地一下变色,这暗示着是更多DA键的断裂。紧接着,将温度降低,左右两边材料相交的界面开始重新粘结,颜色发生了明显变化。随着新DA键的产生,原本的切口会如同被一只无形的手所抹平。来源:参考文献[2]

科学家们将这种带有自修复能力的高分子,加工成了一种由一排空腔和底层连接板组成的特殊构造。其中,底层板中相应位置有气孔,可以向空腔内注入或抽取空气,让空腔膨胀或者收缩。通过精确控制各个小空腔的体积,就可以实现空腔阵列的变形和移动。

图片 5自修复材料制作的气动部件:空腔阵列和底层板。图片来源:参考文献[2]

随后,研究人员用这一串串的空腔阵列,组装出了两种特殊的机器人。

版权声明:本文由奥门新萄京娱乐场发布于奥门新萄京娱乐场,转载请注明出处:新资料能让显示器自己修复,又软又暖的大白或