网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

西安交大田洪淼《Sci Adv》:基于液晶弹性体和低熔点合金的形状可编程、变形锁定和自感知人工肌肉

0
分享至

实现可控驱动、变形锁紧、大承载能力、自感知和与人的物理兼容性的集成一直是机器人领域的巨大挑战。一种具有形状可编程性、不需要连续外部能量而具有变形锁定能力和自感知能力的人工肌肉是非常理想的,但在可重构天线、可展开空间结构等方面的应用具有挑战性

近日,西安交通大学邵金友教授田洪淼副教授(通讯作者)等人,受哺乳动物的肌肉、骨骼和神经系统耦合行为的启发,提出了一种基于聚多巴胺涂层液晶弹性体(LCE)和低熔点合金(LMPA)的同心管/棒的多功能人工肌肉。其中,外层LCE用于可逆收缩和恢复(即肌肉功能);在固化状态下采用内部LMPA进行变形锁定,在熔体状态下通过检测电阻变化进行角度变化监测(即骨骼和神经功能)。所提出的人造肌肉具有多种性能,包括可控制的弯曲角度、位置和方向;用于支撑重物的变形锁紧;实时监测角度变化,为软设备的设计提供了一种直观有效的方法。相关工作以“Shape-programmable, deformation-locking, and self-sensing artificial muscle based on liquid crystal elastomer and low–melting point alloy”为题发表在最新一期的《Science Advances》。

图1. 由PDA涂覆管状LCE和LMPA棒组成的多功能人工肌肉。

【制造工艺及工作原理】

多功能人工肌肉与软(LCE)和硬(LMPA)材料耦合的制造过程如图1B所示。肌肉变形过程原理如图1C所示。为了展示变形行为,研究者进行了多功能人工肌肉与纯PDA涂层LCE基管状驱动器的变形对比分析,如图1D所示。该多功能人工肌肉在1.3 W激光照射约6s后产生瞬时弯曲变形。在激光关闭6 s后,弯曲变形(弯曲角约为37°)也立即持续。相比之下,在1.3 W的辐照功率下,基于PDA涂层的LCE管状驱动器在4 s时产生最大的弯曲角度为42°,在4 s激光关闭后,在12 s时恢复到初始直态。因此,LMPA的硬材料通过快速固化使所人工肌肉具有优良的变形锁定性能。

图2. 影响多功能人工肌肉弯曲变形的因素。

【弯曲变形表征】

为了分析光照强度对弯曲角值的影响,研究者利用ABAQUS软件进行了有限元分析。利用二维温度-位移耦合模型[长度(a)为30 mm,直径(b)为2.4 mm],研究了不同照射功率下多功能人工肌肉的温度和应力分布。由图2A可以看出,数值模拟中对应辐照功率为2.0、1.8、1.6、1.4 W时,弯曲角度分别为49°、44°、39°、35°。较大的辐照功率更有可能在LCE中诱导较大的应力(即较大的致动应力),在LMPA中诱导较大的压应力区(即较大的熔化区),进而引发人工肌肉较大的弯曲角。

此外,研究者还系统研究了各种影响因素,包括:(1)LMPA的熔化面积与产生弯曲变形的压缩力之间的数值关系;(2)除LMPA熔化区域的大小外,LCE的促动力;(3)激光功率、光斑面积和照射时间等。

图3. 多功能人造肌肉的弯曲变形。

柔性和可控制的变形,特别是在弯曲角度、方向和位置,可以增加形状可编程和可重构的人造肌肉变形的可能性。从图3A可以看出,在1.4 W的照射功率下,从同一方向对同一弯曲位置照射几次,可以调节弯曲角度。通过调整激光照射方向,也可以改变多功能人工肌肉的弯曲方向,如图3B所示。最后,多功能人工肌肉还具有弯曲位置选择性的特点,如图3C所示。通过选择不同的辐照高度、方向和位置,可以生成更多可重构的形状。例如,将激光应用于人工肌肉的两侧,可以得到一个“W”形状,如图3D所示,这说明了人工肌肉在形状可编程方面的潜力。

图4. 多功能人造肌肉的形状变换和变形锁定。

【快速形状变换和变形锁定的表征】

为了评价人工肌肉的快速形态转换和锁定变形性能,在1.2 W的照射功率下,从上、下两个方向照射多功能人工肌肉进行了试验。人工肌肉在3.5 s时开始产生较大弯曲变形,在3.7 s时保持最大弯曲角38°。经过5.8 s的持续时间后,激光从下方向照射人工肌肉弯曲部分,时间为9.5 s。五周期试验结果如图4B所示,上、下弯曲角度分别约为45°和−35°,说明多功能人工肌肉具有稳定的弯曲变形能力。此外,LMPA的熔融是导致多功能人工肌肉的拉应力从0.008 MPa突然下降到−0.01 MPa的主要原因,LMPA的快速溶解(即变形锁定)可防止多功能人工肌肉的驱动应力恢复为零。

图5. 多功能人工肌肉的传感功能。

图6. 多功能人工肌肉作为可重构天线的应用。

【小结】

受活体动物骨骼、肌肉和神经的耦合行为特征的驱动,形状可编程、变形锁定和自感知人造肌肉使用软材料(即LCE)与高刚度材料(即,LMPA)在同心管/棒的形式,克服了纯软材料的缺点。因此,所提出的多功能人工肌肉同时表现出良好的形状可编程、变形锁定和自感知特性,不仅在低功耗、高承载能力和变形锁定方面优于基于LCE的人工肌肉,而且在响应时间、传感功能、灵活的形状可编程性和可重构性方面也优于基于LMPA的人工肌肉。

--3D打印白皮书--

--帮测科技--

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5722

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
丈夫想先睡妻子,妻子和情夫都不同意,2015年丈夫把他俩都杀了

丈夫想先睡妻子,妻子和情夫都不同意,2015年丈夫把他俩都杀了

汉史趣闻
2026-01-03 19:21:52
波特26+7准绝杀!篮网拒20分逆转险胜公牛 武切维奇丢绝平三分

波特26+7准绝杀!篮网拒20分逆转险胜公牛 武切维奇丢绝平三分

醉卧浮生
2026-01-17 11:09:08
功德林特赦第一人吴绍周:1952年就被特赦出狱,隐姓埋名平凡生活

功德林特赦第一人吴绍周:1952年就被特赦出狱,隐姓埋名平凡生活

古书记史
2026-01-12 21:52:59
伴郎破坏婚礼后续:正脸被扒已社死,新娘发声,新郎只会和稀泥!

伴郎破坏婚礼后续:正脸被扒已社死,新娘发声,新郎只会和稀泥!

有范又有料
2026-01-13 16:43:09
马筱梅不忍了!直播怼天怼地,不给汪小菲留面子,张兰却大赞儿媳

马筱梅不忍了!直播怼天怼地,不给汪小菲留面子,张兰却大赞儿媳

农城浪子
2026-01-17 11:35:26
跟了自己十几年的贴身秘书,是美国间谍?仅一个眼神就发现不对劲

跟了自己十几年的贴身秘书,是美国间谍?仅一个眼神就发现不对劲

墨兰史书
2026-01-03 05:45:03
贾老板想溅老罗一身血

贾老板想溅老罗一身血

鹿有角
2026-01-16 21:35:58
上海突发!张国坤被查,涉嫌严重违纪违法

上海突发!张国坤被查,涉嫌严重违纪违法

中国基金报
2026-01-16 22:32:49
越南决定赌,宁愿多花300亿美元也不选中国

越南决定赌,宁愿多花300亿美元也不选中国

扶苏聊历史
2025-12-22 15:52:18
GE与洛马联合演示旋转爆震冲压发动机 欲弥合高超声速效率鸿沟

GE与洛马联合演示旋转爆震冲压发动机 欲弥合高超声速效率鸿沟

cnBeta.COM
2026-01-15 14:09:03
中足联官方:同意上海赛更达、大连可为名称认定事宜

中足联官方:同意上海赛更达、大连可为名称认定事宜

懂球帝
2026-01-16 20:57:11
A股:刚刚,国常会最新部署,证监会发布、深交所出手,市场要变天

A股:刚刚,国常会最新部署,证监会发布、深交所出手,市场要变天

云鹏叙事
2026-01-17 08:50:57
美军自报的上甘岭战役战果:美韩军伤亡9000人,志愿军损失1.9万

美军自报的上甘岭战役战果:美韩军伤亡9000人,志愿军损失1.9万

生活新鲜市
2026-01-17 08:18:00
0-3惨案!新版海产姐妹遭队友横扫,国乒女双梯队拉响警报

0-3惨案!新版海产姐妹遭队友横扫,国乒女双梯队拉响警报

阿晞体育
2026-01-17 11:08:06
2026春节档陆续有十部电影上映,周星驰两部,你期待哪几部?

2026春节档陆续有十部电影上映,周星驰两部,你期待哪几部?

小Q侃电影
2026-01-14 13:42:26
曝齐尔克泽罢训逼曼联批准转会!去罗马能打主力,留队无缘世界杯

曝齐尔克泽罢训逼曼联批准转会!去罗马能打主力,留队无缘世界杯

罗米的曼联博客
2026-01-17 10:26:03
后悔已经晚了?特朗普空袭伊朗突然叫停,以色列发现“内鬼”失联

后悔已经晚了?特朗普空袭伊朗突然叫停,以色列发现“内鬼”失联

壹知眠羊
2026-01-17 11:53:43
《风筝》隐藏伏笔终揭晓:精明韩冰不知,识破她的人不是郑马二人

《风筝》隐藏伏笔终揭晓:精明韩冰不知,识破她的人不是郑马二人

磊子讲史
2026-01-15 09:36:26
秦基伟晚年回忆谢政委:政治水平高,作战指挥有一套,我很尊重他

秦基伟晚年回忆谢政委:政治水平高,作战指挥有一套,我很尊重他

荣兮史说
2026-01-15 09:14:14
三位勇士以一身伤痕,为14亿人辟出法治生路

三位勇士以一身伤痕,为14亿人辟出法治生路

深度报
2025-11-07 22:56:16
2026-01-17 12:32:49
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
15473文章数 66825关注度
往期回顾 全部

科技要闻

8亿周活扛不住烧钱 ChatGPT终向广告"低头"

头条要闻

牛弹琴:欧洲勃然大怒"大军"兵发格陵兰岛 特朗普感叹

头条要闻

牛弹琴:欧洲勃然大怒"大军"兵发格陵兰岛 特朗普感叹

体育要闻

三巨头走了俩,联盟笑柄却起飞了

娱乐要闻

徐家还是爱孩子的,在马筱梅生产前选择和解

财经要闻

贾国龙、罗永浩均被禁言,微博CEO回应

汽车要闻

林肯贾鸣镝:稳中求进,将精细化运营进行到底

态度原创

数码
家居
旅游
本地
公开课

数码要闻

8GB变12GB?内存拓展的真相,90%的用户都不知道

家居要闻

岁月柔情 现代品质轻奢

旅游要闻

福州闽侯:湖畔的诗和远方

本地新闻

云游内蒙|黄沙与碧波撞色,乌海天生会“混搭”

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版