水凝膠環(huán)執(zhí)行器利用Michell不穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)快速變形

在自然界中，機(jī)械不穩(wěn)定性如屈曲、褶皺和快速翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象被生物體廣泛利用，以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動與變形，例如捕蠅草的葉片閉合。Michell不穩(wěn)定性作為一種經(jīng)典的機(jī)械不穩(wěn)定性，當(dāng)彈性環(huán)中的預(yù)扭轉(zhuǎn)超過臨界值時，環(huán)會從平面或鞍形迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”字形構(gòu)型。盡管這種不穩(wěn)定性在DNA分子和植物器官中具有重要作用，但在軟體執(zhí)行器設(shè)計(jì)中卻鮮有應(yīng)用，主要原因在于難以動態(tài)調(diào)控環(huán)的預(yù)扭轉(zhuǎn)。

【資料圖】

近日，浙江大學(xué)鄭強(qiáng)教授、吳子良教授和南方科技大學(xué)洪偉教授合作通過利用刺激觸發(fā)的Michell不穩(wěn)定性，成功開發(fā)出能夠快速變形的基于水凝膠的環(huán)執(zhí)行器。該執(zhí)行器在受熱或光照條件下，可從鞍形構(gòu)型迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”字形構(gòu)型。研究通過實(shí)驗(yàn)與模擬揭示了其機(jī)制：刺激引起具有各向異性結(jié)構(gòu)的水凝膠弦的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度發(fā)生變化，從而降低了觸發(fā)Michell不穩(wěn)定性所需的臨界扭轉(zhuǎn)值。該設(shè)計(jì)為開發(fā)具有快速響應(yīng)和大變形能力的軟體機(jī)器提供了新思路。相關(guān)論文以“Michell"s-Instability-Mediated Fast Reconfiguration of Hydrogel-Based Ring Actuators”為題，發(fā)表在

研究團(tuán)隊(duì)首先制備了具有各向異性結(jié)構(gòu)的水凝膠弦。通過剪切流動誘導(dǎo)納米片在凝膠中定向排列，并結(jié)合金納米顆粒賦予其光熱響應(yīng)能力。該水凝膠在受熱或光照時發(fā)生快速等容變形，其扭轉(zhuǎn)剛度顯著上升，而彎曲剛度僅輕微增加，從而提高了扭轉(zhuǎn)與彎曲剛度比（Kt/Kb），為觸發(fā)不穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件。

圖1展示了Michell不穩(wěn)定性的觸發(fā)機(jī)制。傳統(tǒng)方式是通過增加預(yù)扭轉(zhuǎn)來引發(fā)不穩(wěn)定性（圖1a），而本研究則通過外部刺激降低臨界扭轉(zhuǎn)值，使原本穩(wěn)定的環(huán)在預(yù)設(shè)扭轉(zhuǎn)下發(fā)生快速重構(gòu)（圖1b）。這種機(jī)制使得水凝膠環(huán)能在刺激下從鞍形迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”字形，并在刺激移除后保持新構(gòu)型。

圖1 a) 通過人工增加預(yù)扭轉(zhuǎn)觸發(fā)Michell不穩(wěn)定性。隨著預(yù)扭轉(zhuǎn)增加，環(huán)從近似平坦、鞍形到“8”字形構(gòu)型轉(zhuǎn)變。 b) 各向異性凝膠環(huán)在外部刺激下觸發(fā)Michell不穩(wěn)定性，刺激降低了臨界扭轉(zhuǎn)值，使其低于預(yù)設(shè)扭轉(zhuǎn)。

圖2進(jìn)一步揭示了水凝膠在刺激下的尺寸變化與力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)顯示，凝膠在受熱初期發(fā)生快速等容變形，直徑擴(kuò)張、長度收縮，而體積保持不變。同時，其扭轉(zhuǎn)剛度顯著提高，彎曲剛度變化較小，導(dǎo)致Kt/Kb比上升，這是觸發(fā)不穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

圖2 a,b) 通過剪切流動誘導(dǎo)納米片定向排列合成各向異性凝膠的示意圖。 c) 各向異性凝膠在38°C水浴中尺寸與體積隨時間的變化。 d,e) 不同納米片含量與溫度下凝膠的扭矩-扭轉(zhuǎn)曲線與扭轉(zhuǎn)剛度。 f,g) 不同條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與彎曲剛度。 h) 凝膠的Kt/Kb比隨納米片含量的變化。

圖3研究了不同預(yù)扭轉(zhuǎn)下環(huán)的構(gòu)型與穩(wěn)定性。當(dāng)預(yù)扭轉(zhuǎn)達(dá)到4π時，環(huán)呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)特性，可在鞍形與“8”字形之間切換。扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線和能量圖譜顯示存在兩個局部能量極小值，進(jìn)一步證實(shí)了其雙穩(wěn)態(tài)行為。

圖3 a,b) 不同預(yù)扭轉(zhuǎn)下凝膠環(huán)的照片與模擬變形及能量密度分布。 c) 凝膠環(huán)歸一化離面位移隨預(yù)扭轉(zhuǎn)的變化。 d) 通過外部扭矩使凝膠環(huán)從鞍形轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”字形的示意圖。 e,f) 環(huán)執(zhí)行器扭矩與能量隨扭轉(zhuǎn)角的變化曲線。

圖4記錄了熱或光觸發(fā)下環(huán)的快速重構(gòu)過程。在38°C水浴或520 nm光照下，環(huán)在數(shù)秒內(nèi)發(fā)生Michell不穩(wěn)定性，并伴隨高速旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)速達(dá)220°/s。光強(qiáng)越高，觸發(fā)所需時間越短，旋轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)提高。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明，不穩(wěn)定性發(fā)生時的Kt/Kb比與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

圖4 a,b) 凝膠環(huán)在加熱與光照下觸發(fā)Michell不穩(wěn)定性的連續(xù)照片。 c) 環(huán)執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)角α的示意圖。 d) 旋轉(zhuǎn)角隨光照時間的變化。 e) 光強(qiáng)對觸發(fā)不穩(wěn)定性所需時間的影響。 f) 模擬顯示加熱過程中凝膠環(huán)的應(yīng)變能密度分布。 g) 彎曲與扭轉(zhuǎn)能隨溫度變化的比例。 h) 應(yīng)變能隨Kt/Kb比的變化。 i) 通過外部扭矩使環(huán)從“8”字形恢復(fù)至鞍形的示意圖。 j,k) 恢復(fù)過程中扭矩與能量隨扭轉(zhuǎn)角的變化。

圖5探討了環(huán)尺寸與預(yù)扭轉(zhuǎn)對不穩(wěn)定性的影響。當(dāng)環(huán)的長徑比L/D ≥ 15時，臨界扭轉(zhuǎn)值趨于穩(wěn)定，主要由材料剛度比決定。不同預(yù)扭轉(zhuǎn)的環(huán)在刺激后表現(xiàn)出不同的穩(wěn)定性行為，進(jìn)一步驗(yàn)證了能量勢壘對構(gòu)型保持的影響。

圖5. 環(huán)形執(zhí)行器的不同構(gòu)型及其與各種條件的關(guān)系。 a) 不同長徑比與預(yù)扭轉(zhuǎn)下環(huán)執(zhí)行器的構(gòu)型相圖。 b,c) 預(yù)扭轉(zhuǎn)為4π與3.5π的環(huán)在加熱與外力作用下的構(gòu)型變化。

圖6展示了環(huán)執(zhí)行器在水環(huán)境中的多種應(yīng)用。例如，通過光觸發(fā)重構(gòu)作為光學(xué)開關(guān)點(diǎn)亮LED；利用快速旋轉(zhuǎn)踢動小球；驅(qū)動瓶蓋旋轉(zhuǎn)90°；以及多個環(huán)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)協(xié)同變形與累積旋轉(zhuǎn)。這些演示證明了其在軟體機(jī)器人中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的潛力。

圖6. 基于光照射下Michell不穩(wěn)定性介導(dǎo)的環(huán)形執(zhí)行器重構(gòu)所開發(fā)的水凝膠器件。a) 環(huán)執(zhí)行器作為光學(xué)開關(guān)點(diǎn)亮LED。 b) 環(huán)執(zhí)行器踢動塑料球。 c) 環(huán)執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)瓶蓋。 d) 多個同手性環(huán)在掃描光下的序列旋轉(zhuǎn)。 e) 兩個相反手性環(huán)的協(xié)同不穩(wěn)定性與旋轉(zhuǎn)。

該研究成功將Michell不穩(wěn)定性引入軟體執(zhí)行器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水凝膠環(huán)的快速、大幅重構(gòu)。未來，這一原理有望拓展至其他響應(yīng)性材料，如液晶彈性體，進(jìn)一步推動高性能軟體機(jī)器人與智能驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 鄭強(qiáng) 構(gòu)型 執(zhí)行器 水凝膠 吳子良 浙江大學(xué)