西湖大学吕久安团队在可控高速柔性执行器领域取得重要进展

高速柔性执行器技术是开发高性能软体机器人和高能量柔性激发器件的核心技术。但是目前的高速柔性执行器，一旦完成了执行器的合成和组装，高速运动行为将无法调控。受自然界蕨类植物可控高速释放孢子机制的启发，西湖大学吕久安团队设计制备了具有结构化约束的新型高速柔性执行器，实现了对高速运动行为的精确调控和自由编程。该研究工作以“Leveraging Bioinspired Structural Constraints for Tunable and Programmable Snapping Dynamics in High-Speed Soft Actuators”为题发表在Advanced Functional Materials期刊(Adv. Funct. Mater. 2022,  doi.org/10.1002/adfm.202209798)。论文第一作者是浙江大学-西湖大学联合培养博士研究生王蛟，西湖大学工学院智能高分子团队的吴慧敏助理研究员和吕久安特聘研究员为通讯作者。

柔性材料固有的粘弹性能，导致人工合成的柔性执行器往往变现出缓慢、低速的运动。而自然界的动植物具有一种能量放大机制—突跳（snapping）机制，可以驱动柔性的生物体产生快速、高能量的运动，从而实现高速捕食、逃跑、避障、传播种子。例如，捕蝇草为捕获落在叶片上的昆虫，能在十分之一秒内快速关闭叶片；瘿蚊幼虫（Asphondylia）为躲避捕食者，可以先通过弯曲身体积累足够的能量，并瞬间释放能量以实现快速跳高逃离捕食者。近年来，生物突跳机制启发科学家们设计开发了快速运动的柔性刺激响应材料系统。然而对于已报道的高速运动的柔性人工材料系统，一旦执行器完成了合成和组装，突跳高速运动行为（运动速度、运动方向等）将无法动态调制，因此急需开发出高速运动行为可调节可编程的新型智能材料系统。

图1：基于结构约束的蕨类孢子囊突跳机制的仿生设计原理。a）蕨类孢子囊（Polypodium aureum）的独特弹射机制。b）具有仿生自约束鳍状阵列结构的光控高速柔性执行器示意图。

智能高分子团队从植物的可控高速运动机制中获得了设计灵感。在蕨类植物中，发射孢子的“弹射器”是一种高效的孢子传播“工具”。脱水时，孢子囊打开并储存弹性势能，随后可控释放储存的弹性能，以一种类似于投石车的机制发射孢子（图1a）。与人造投石车激发控制机制不同的是，人造的投石车需要一个位于运动路径的挡杆来实现可控挡停臂动，从而调控发射方向和能量大小。缺少横杆的投石车会将发射的弹药投向原地，无法控制发射方向导致发射失败。而孢子囊则采用了一种截然不同的可控高速发射机制，利用了类似手风琴状结构的多孔弹性损耗，可以起到类似投石车挡杆的作用。打开的孢子囊在释放弹性能高速运动的过程中因为多孔弹性损耗而突然刹停，将孢子以超过10 m·s-1的速度朝可控方向弹射出去。

图2：由可重构约束结构调节的可控突跳行为。a）结构化柔性执行器的制备过程。b）柔性执行器的运动停止行为。c）具有不同数量被约束鳍的结构化柔性执行器的最大张角。d）具有不同数量被约束鳍的结构化柔性执行器的光致弹性能和发射速度。

受蕨类孢子囊通过手风琴状的微结构产生的物理约束实现可控高速运动的启发，智能高分子团队设计了具有鳍状（fin-shaped）微阵列结构的高速柔性执行器，其高速运动行为可以通过受约束的鳍微结构的数量和位置来进行动态调节和编程。这种结构化的柔性执行器不仅可以通过改变致动器的局部弯曲刚度来改变其存储的弹性能量，还能够操控高速运动的方向和大小。可控的结构化执行器展示出高速移动速度(发射速度2.5 m·s−1，跳跃速度0.22 m·s−1)，超长弹射距离和弹跳高度(弹射距离≈ 20 cm，弹丸重量35 mg；弹跳高度≈ 8 cm，是执行器自身长度的40倍)，这是现有已报道的柔性执行器难以实现的可控高速运动。该系统利用结构化约束精确调控柔性执行器的发射或跳跃角度和高度、运动速度以及释放的应力，实现了可控弹射运动和可编程跳跃运动，甚至表现出在空间多方向受控的高速弹射和跳跃行为。智能高分子团队的研究提供了一种基于可重构约束结构的高速运动调控策略，能够高效地实现柔性执行器可控可调的高速运动行为。

图3：光控柔性弹射器在近红外光驱动下将球（35 mg）投入距离为12 cm，高度为2 cm篮筐中。

图4：光控跳跃机器人。a）光控跳跃的照片。b）被约束鳍的数量对跳跃柔性执行器的跳跃高度和初始速度的影响。c）执行器光控跳上高台。d）柔性执行器光控高速跨越障碍物。

来源：西湖大学

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202209798