光响应驱动器件的设计及其在仿生柔性机器人中的应用

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驱动器件是指在外界环境刺激下可发生形变的智能材料与结构。因其独特的刺激响应特性,可广泛应用于生物医药、航空航天和仿生柔性机器人等领域。目前,用于设计和制备驱动器件的智能材料种类繁多,包括水凝胶、形状记忆高分子和液晶交联弹性体等。通过分子结构设计,这些智能材料可在多种环境刺激(如温度、湿度、电场、磁场和p H等)下产生形变行为。与温度、湿度、电场和磁场等环境刺激的驱动器件相比,光驱动器件的形变行为可通过非接触的方式进行远程和精确的调控而受到广泛的关注。受到大自然的启发,科研工作者们通过对光驱动器件的微/宏观结构设计与可控制备,开发了一系列具有抓取、攀爬和巡航功能的光响应仿生柔性机器人。随着仿生柔性机器人向着微型化、多功能化和多元化方向的发展,对光驱动器件的设计、制备和性能提出了更高的要求。基于此,取得的主要研究成果如下:(1)三明治结构近红外光响应纳米复合薄膜的设计及其在仿生柔性机器人中应用研究利用商业化的低密度聚乙烯(LDPE)薄膜、聚酰亚胺(PI)粘合剂以及金(Au)作为原料,设计和制备了光响应三明治结构PI/Au/LDPE纳米复合薄膜。通过巧妙结合LDPE薄膜与PI粘合剂不匹配特性和Au优异的光热效应,实现了三明治结构PI/Au/LDPE纳米复合薄膜的可逆光驱动行为。三明治结构PI/Au/LDPE纳米复合薄膜的制备工艺简单、易于工业化生产。并且,LDPE薄膜与PI粘合剂在极低温度下(-196℃)仍表现出较好的柔性,拓宽了驱动器件的使用环境和条件。此外,三明治结构PI/Au/LDPE纳米复合薄膜可进行剪裁设计。通过几何形状设计和可逆光驱动行为模仿生物体的运动行为,本论文研发了一系列光驱动仿生柔性机器人,如人工捕蝇器、可控定向爬行的尺蠖爬行机器人和具有运载和巡航功能的游泳机器人。(2)具有光驱动发光和形变特性双层结构的设计及其在仿生柔性机器人中应用研究以应变大、形变方式多样和驱动方式可控的液晶交联弹性体(LCEs)为基材模仿生物体运动过程中复杂的形变方式。利用具有光热效应的石墨烯(Graphene)为掺杂剂,通过“机械编程法”制备了近红外光驱动、三维形变可控的Graphene-LCEs纳米复合薄膜,为设计具有复杂运动形式的仿生柔性机器人提供了基础。此外,将具有光致发光特性的硅碳点(Si-CDs)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合作为具有隐身功能的“智能皮肤”。通过三维形变可控的Graphene-LCEs纳米复合薄膜和Si-CDs-PDMS“智能皮肤”构建双层结构光驱动器件,制备了基于Graphene-LCEs/Si-CDs-PDMS复合薄膜的光驱动智能驱动器件。该驱动器件不仅可以在近红外光(808 nm)激发下实现复杂多样的形变行为,同时还能在紫外光(365 nm)激发下具有变色特性。基于此驱动器件的可逆光驱动行为,本论文设计了一种能在特定环境中隐身的仿生爬行柔性机器人,为开发多功能、智能化和微型化仿生柔性机器人提供了重要思路。
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