404 柔性纸质“机械人” - Materials Views 中国

柔性纸质“机械人”

由哈佛大学的George Whitesides教授领导的研究小组于近期研制出一种廉价的“机械人”,该机械人除了可以自由伸展、弯曲及扭转外,还可以举起相当自身重量120倍的物体。虽然它体制柔软,却可以适应不同表面并施加适当的压力。

事实上,这项工作的独特之处是利用了纸张可以弯曲而不能伸展的特性。研究团队将硅橡胶提取的密封弹性材料来包覆纸片。在纸的一面,硅橡胶被交织一起并存有微小的空气通道。随着空气被吸入通道,橡胶材料在其一端膨胀,导致材料发生弯折。博士后研究人员Ramses Martinez将该结构比做气球。他们表示:“当气球的局部膨胀时,它不会成为球状(像儿童气球一样),但是纸片施加的限制可以产生出复杂的形貌。”

事实上,通过更改通道的形状以及在制作过程中折叠纸张,研究人员将次过程形象的称之为“纸鹤”技艺。他们表示:“我们研发出的方法通过及其简单的方式来实现复杂的运动,一旦我们充分了解需要使用的材料、最佳的制作工艺和相应设计,最佳的制品将随之呈现。”

科学家称作的驱动器即是机械人身上的活动部件,它们在受到外界接触时可以移动或者改变形状,在近期的Advanced Functional Materials论文中,研究人员展示了多个实例,如收缩驱动器(下面的短片显示了该实例),延展驱动器和褶状波纹管

 

一种质量为8.2克的波纹管可以支撑起1千克质量的物体。通过粘结折叠位置或者利用纸条将它们紧固,高度可控的移动可在他们膨胀时实现弯折或扭转的形状。虽然科学家的灵感来源于海星、蠕虫和鱿鱼的运动,但是他们通过气动和压缩空气而非肌肉来完成所有运动。

该制作过程及其简单:弹性模具用于制作气动通道,随后与弹性吸收纸连接在一起。对于波纹管状的制作,首先将褶形纸质圆柱体浸入在弹性模具内,随后对圆柱体加盖,此时空气被吸入到圆柱体的中间位置。条状的弹性体将顶盖连接,这可确保纸张在空气被移除后可以恢复到原始形貌与尺寸。

这项工作结合了Whitesides教授之前在柔性机械人上的研发经验,即利用硅基材料和气动激励的纸张来支撑细小且价廉的微流控分析设备。

Martinez博士对纸质机械人的研制充满热情。他表示:“我们希望这些结构可以服务人类,与流水线上的工业机械人不同(它们通常体积庞大且运转迅速,但这对其周围的操作人员会构成潜在危害),这些驱动器更加‘友善’,他们或许可为外科医生提供‘额外的手或手指’,或者是处理极易破损的物体,如鸡蛋或者水果”。在事故救援时,机械人往往具备在复杂通道内寻找出路的能力,通过在机械人上安装光源或者金属引线以实现导电,越来越多的潜在应用将“跃然纸上”。

R. V. Martinez et al., Adv. Func. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201102978

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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