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爱荷华大学宋轩教授等AFM:新发现!可产生2000%应变的自变形人造皮肤

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高分子科学前沿 2021-09-19 08:26

2021年的奥斯卡最佳纪录片《我的章鱼老师》(My Octopus Teacher)让人们重新认识了章鱼这个在海洋中无处不在的神奇生物。事实上,章鱼一直拥有着属于自己的生存智慧。为了躲避海洋中的捕食者,它们能够根据周围环境中岩石或者珊瑚的样貌改变自身皮肤的纹理进行伪装,从而与环境融为一体。

受章鱼等头足类动物的启发(图1a-c),爱荷华大学宋轩教授团队与Caterina Lamuta教授团队在自变形人造皮肤方面有重大突破。他们研发了一种柔软、可拉伸且自适应的自变形人造皮肤。这种人造皮肤能够克服其他变形材料在便携性、驱动速率、所需功率、展现纹理和形状数量方面的局限性。研究成果以“Cephalopod-Inspired Stretchable Self-Morphing Skin Via Embedded Printing and Twisted Spiral Artificial Muscles”为题发表在《 Advanced Functional Materials》上。爱荷华大学的博士生费凡Parth Kotak和广东工业大学的博士后贺礼为本文共同第一作者。

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近些年来,基于不同的材料种类和驱动机制,研究人员研发出了各式各样的技术来实现材料的形状或纹理的自变形,如利用水凝胶、形状记忆聚合物、液晶弹性体等。这些技术为形状控制提供了简单而有效的方法,但同时也存在一些特定的缺点,例如:响应速度慢、比功率低、刺激能量高以及对驱动时间和位置的控制精度低等。基于此,本文作者研发了一种柔软、可拉伸且自适应的自变形人造皮肤。这种人造皮肤能够克服上述在便携性、驱动速率、所需功率和提供的纹理、形状数量方面的局限性。该人造皮肤由扭曲螺旋人工肌肉(Twisted Spiral Artificial Muscles,TSAM,下文均以此指代)和可拉伸的高导电液态金属(Eutectic gallium−indium, EGaIn)电极组成,可以按需在皮肤表面产生不同纹理(图1d)。电热驱动的TSAM是由廉价的聚合物纤维(尼龙钓鱼线)制成,以模拟头足类动物的乳头肌。TSAM可以在几秒钟内在电热驱动下产生近2000%的应变,即可实现纹理从微米到厘米范围内的高度变化。TSAM的电热驱动依赖于可拉伸的高导电液态金属电极实现。作者采用嵌入式打印方法(Embedded printing)在弹性体中能够直接打印出柔性、低电阻、高强度的低粘度牛顿液态金属电极。通过调节移动速度、液态金属流速以及弹性体流变学特性等打印参数,静态通道可以在液态金属的打印过程中同时生成,从而实现稳定均匀的液态金属嵌入式打印。

图1 海洋中章鱼的皮肤表面纹理变化,自变形皮肤示意图,以及TSAM的驱动机制、温度分布及电镜扫描图。

具体来说,TSAM 由一根缠绕着铜线的廉价聚合物钓鱼线组成,并被压制成阿基米德螺旋线的形状。通过扫描电子显微镜,可以更加清楚地看到TSAM上铜线与尼龙纤维螺旋缠绕的细节(图1i、j)。其原理如图1e、f所示:通过加热,TSAM的聚合物纤维会发生径向和轴向的膨胀;轴向的膨胀较小可以被忽略,而径向的膨胀会导致TSAM获得展开力从而发生垂直方向的位移。图 1g、h 分别描绘了0.8 mm厚的TSAM被电热驱动前后的温度分布以及相应的垂直位移。

图2 嵌入式打印工艺以及其产生的液态金属电极示例

用于制造液态金属电极网络的嵌入式打印工艺如图 2a所示。在打印开始之前,需要准备两种不同的弹性体材料:粘度和屈服强度较高的基底弹性体(Base elastomer),以及粘度和屈服强度较低的填充弹性体(Filling elastomer)。在打印容器中,基底弹性体被置于底部,而填充弹性体被置于基底弹性体之上。在打印过程中(图 2a、b),打印针头被插入到基底弹性体中并沿打印方向移动;同时,液态金属EGaIn以一定的流速被注射器的活塞挤入基础弹性体中。通过调节针头移动速度和EGaIn的流速,静态通道(Static crevasse/channel)可以在基础弹性体中形成,以使挤出的液态金属保持均匀连续的形状,以及停留在一定深度的位置。为了形成静态通道,两种弹性体被调整为不同的应力特性,例如:填充弹性体在重力作用下表现出类似液体的流动行为(图2c),而基底弹性体在重力作用下几乎保持静态(图2d)。两种弹性体在固化前的具体的流变特性可参考图3a-c。通过这种打印方式,液态金属可以被打印成为各种形状的电极,如图 2e-2h所示。

图3 打印所需弹性体的流变特性,打印操作区间划分,以及实验和仿真结果验证

为了能够深入理解嵌入式打印出的液态金属EGaIn的形状与打印参数之间的关系,并确保打印出来的EGaIn均匀连续,作者构建了如图3f所示的基底弹性体的屈服强度和打印出的液态金属EGaIn的尺寸之间的关系图。在该图中,整个图形所代表的打印操作区间(Operation region)被4个边界条件所分割:(1)嵌入式打印能允许液态金属EGaIn打印出的最小尺寸,(2)能允许打印出的最大尺寸,(3)打印针头的尺寸,以及(4)基底弹性体需要具有的最小屈服强度。这4条边界线所划出的4个操作区间内,分别可以得到4种不同的液态金属形态。该模型表面,只有区间III和区间IV能够实现液态金属EGaIn的均匀连续打印。这一结论也被实验(图3d、e)和仿真(图3i-l)结果所验证。

图4 自变形人造皮肤的抗拉、抗扭转测试结果以及测试过程中的液态金属阻值变化情况

为了验证自变形人造皮肤的可靠性和强度,作者对其进行了拉伸以及扭转测试(图4),并测量了在测试过程中液态金属阻值的变化情况。结果显示,人造皮肤能够在320%的拉伸形变或者420度的扭转形变下仍然保持极小的电阻值(< 10 Ω),从而保证TSAM能够在极端条件下被正常驱动。

图5 基于TSAM和嵌入式打印的液态金属电极网络的自变形人造皮肤的测试案例

最后,作者制作了一个带有TSAM列阵(4 X 5)的可穿戴手套和一个在其头部和足部都含有自变形人造皮肤的章鱼模型,并在不同的可编程模式和工作环境下进行了测试。测试案例验证了所提出的自变形皮肤作为可穿戴和防水的自变形设备的适用性。

小结:作者提出了一种受头足类动物启发的可拉伸、自变形人造皮肤。人造肌肉TSAM可以在几秒钟的电热驱动下实现将近2000% 的应变,从而实现丰富且快速的纹理变化。同时,作者通过嵌入式打印工艺实现了在柔性弹性体中直接打印柔性、低电阻且高强度的低粘度牛顿液态金属电极,并且开发了相应的理论和数值模型来解释不同打印参数设置对被打印的液态金属EGaIn的几何形状的影响。在模型的指导下,确定了最佳打印策略以制造连续均匀且具有低电阻的EGaIn电极来连接和驱动具有可编程模式的TSAM。最后,作者制作了包含自变形皮肤的可穿戴手套和微缩章鱼模型,并在不同的可编程模式和工作环境下进行了测试。测试结果验证了所提出的自变形人造皮肤作为可穿戴和防水的自变形设备的适用性。

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202105528

来源:高分子科学前沿

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