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东北大学田野团队 NML:仿生多功能自感知驱动的梯度水凝胶用于软硬机器人的远程交互
2024-01-10  来源:高分子科技

  大自然为软机器人的发展提供了大量灵感。许多生物,如人类的舌头、水母的触手和含羞草的叶子,不仅可以在大范围内灵活形变,而且具有自我感知能力。为了模拟这些自然系统,研究人员通过结合软致动器和柔性传感器来开发仿生软机器人。然而,一个普遍的限制是大多数软致动器虽然能够形成复杂的形状,但缺乏感知外部刺激和监测自身运动的能力,而直接嵌入传感器容易导致软机器人设计和制造的复杂性增加,在环境交互中的应用中受到阻碍。因此,开发一体化仿生多功能自感知软机器人已成为一个引人注目的课题。


1. 自感知驱动梯度水凝胶的合成、性能和应用示意图


  近期,东北大学医学与生物信息工程学院田野副教授团队提出了一种简单而有效的亲水性差异方法,制备了一种受生物启发的多功能一体化自感知驱动梯度水凝胶,它具有超快速致动高灵敏度传感的能力,进而实现了软硬机器人之间的远程交互。梯度网络结构的形成是通过引入MoO2纳米片快速沉淀进而在水凝胶两侧产生了聚合物链的亲水性差异。这种独特的方法赋予水凝胶超快的热响应致动(21°/s)和良好的光热效率(3.7 °C /s, 808 nm NIR)。同时,利用与Ca2+的局部交联赋予水凝胶可编程驱动和信息显示能力。此外,该水凝胶还表现出高传感灵敏度(在600%的宽应变范围内应变系数为3.94)、快速响应时间(140 ms)和循环稳定性。利用这些优异特性,将水凝胶融入软机器人(软抓手、人工虹膜和仿生水母)和可穿戴电子设备中(精确检测人体运动和生理信号)。通过结合物联网技术,量化了自感知水凝胶致动器的实时电阻和驱动角度关系,并构建了近红外刺激-自感知水凝胶致动器-蓝牙交互机械手的远程控制系统,实现了软硬机器人之间的远程交互。本研究提出的多功能自感知驱动梯度水凝胶为先进体感材料、自反馈智能软机器人和人机交互柔性电子提供了新的见解。

 

2. PSM水凝胶的合成与表征

 

3. PSM水凝胶的热响应驱动

 

4. PSM水凝胶的光响应驱动

 

5. PSM水凝胶的可编程变形和信息显示


 6. PSM水凝胶的传感性能


 7. 自感知仿生人工舌头

 

8. 软硬机器人远程交互系统


  该研究工作以Bioinspired Multifunctional Self-Sensing Actuated Gradient Hydrogel for Soft-Hard Robot Remote Interaction为题发表在国际知名学术期刊Nano-Micro Letters(影响因子:26.6。东北大学博士研究生刘赫为论文第一作者,崔笑宇副教授和田野副教授为论文共同通讯作者。


  原文链接:https://doi.org/10.1007/s40820-023-01287-z

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(责任编辑:xu)
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