【参赛作品】基于功能协同系统的微型智能机器人

      机器人是自动执行工作的机器装置,它既可以接受人类指挥,运行预先编排的程序,也可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。微型机器人作为机器人研究的一个重要分支,由于其体积小,可进入血管等狭窄空间等优点,展示了诱人的医用前景。但正是由于其体积的大幅减小,在微驱动控制方面面临着巨大的挑战,一是如何利用微驱动中有限的能量为微型机器人的运动提供驱动力;二是如何降低微型机器人的表面效应在运动中造成的较大阻力;三是如何对微小的机器人进行修订从而使其完成既定的复杂过程。智能界面、智能材料和结构可以根据实际情况做出优化反应,发挥控制功能,这就弥补了机器人在体积缩小的过程中不可控的缺陷。但是,单一的材料无法完成响应环境刺激进而完成智能运动的过程,而集合两种或两种以上功能材料或智能表面于一体的功能协同系统却能够实现既定的复杂的功能。

正是基于对上述概念的认识,近日,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室的石峰教授设计并制备了一个由三个部分组成的功能协同系统。在前期工作的基础上,利用无电化学沉积和单分子层修饰技术制备功能纳米材料的方法,他们制备了具有减阻效果的超疏水船并以此作为运动实物,在其尾部粘贴一个具有pH响应超疏水/超亲水可逆转变特性的智能表面,最后在两者之间附着一个可以催化双氧水分解的铂纳米粒子覆盖的金片,当该催化层与双氧水溶液接触时,释放出大量的氧气泡,为超疏水船体的运动提供推动力。这一运动可以根据环境pH的改变而发生响应,酸性条件下,智能表面表现超疏水性质,器件漂浮于水面上呈静止状态;加入碱溶液后,溶液中OH与智能表面上的-COOH反应使其去质子化后,界面变为超亲水状态,水槽中溶液水面上升至与催化层接触,达到催化双氧水分解从而推动船体运动的效果;加入酸溶液至酸性后,智能表面再次变为超疏水状态,从而阻止了智能器件的运动。根据环境酸碱性的变化,该智能器件可以进行开-停-开的多次循环运动,该研究结果已发表于Small上(DOI: 10.1002/smll.201302132)。

该研究不仅发展并拓宽了功能协同系统的概念,还为从智能材料到功能协同系统的发展提供了一个新的思路,即将不同的智能表面集成为一个体系,使各部分各尽所能,从而完成由智能表面与界面到智能体系的跨越,更重要的是为医用、军用等微型机器人的制备与应用提供了新的思路并奠定了良好的科学及技术基础。

原文链接:pH-Responsive On-Off Motion of a Superhydrophobic Boat: Towards the Design of a Minirobot (DOI: 10.1002/smll.201302132)