Advanced Intelligent Systems:受传统剪纸艺术启发制备可编程智能软体机器人

可以自适应地改变自身复杂的形状软活性材料近来收到很大的关注。研究表明它可以在外界刺激,如光照,温度,适度或PH值改变等情况下,实现复杂形态变换。然而,对外在束缚框架的依赖以及缓慢的反应速度局限了它的发展。3D打印技术解决了以上两个问题,但是高昂的设备,复杂的制造过程,以及对喷嘴的高要求,使得这一技术对新手不是很友好。这样,在不同温度下可以切换分子各向异性和分子排列空间有序这两种模式的液晶弹性体(LCE)在各种材料中脱颖而出。

孟菲斯大学彭晨晖课题组,将液晶弹性体与中国剪纸艺术相结合,通过弹性体内部分子排列以及外部几何形状的各种排列组合,实现了复杂、快速、不受束缚、远程、和可编程的单片弹性体形状变换和运动功能。博士研究生陈娟为第一作者,蒋景华博士和彭晨晖教授为此工作通讯作者。

该团队采用激光切割技术分别将三片具有不同分子排列的LCE薄膜切割成“囍”和中国结的形状,如图1所示,他们展现出不同的形状变换。通过对比,我们可以得出结论: (1)当分子排列方向相同,薄膜几何形状不同时,形变不同; (2)当分子排列方向不同,薄膜几何形状相同时,形变也不同。所以通过分子排列方向与薄膜几何形状的排列组合,我们可以制造出不同的三维形变。另外,“千纸鹤” 的仿真也得以实现。如图1 (g-h) 所示,当光照射在薄膜上,千纸鹤的翅尖与翅中,脖颈之间都会有起伏。当移除光源, “千纸鹤” 恢复到平面薄膜状态。所以在“开”和“关”光源的过程中,可以实现千纸鹤振翅的仿真。 

图1:(a-c) 不同分子排列方向的“囍”和中国结的形变。(d-h) 远程操纵 “千纸鹤” 的飞行。

除了形变之外,该工作实现了LCE薄膜的任意方向移动。该LCE薄膜采用圆圈形状,当光照在图2①的位置时,薄膜会产生向下的形变,重心前移。移除光源,薄膜向前伸展恢复到原样,实现线性移动, 其中步长中位数为0.58 mm。同理,只需将光源集中在①③⑤⑦位置,就能做到上下左右方向的移动,而光源集中在②④⑥⑧位置时,可以完成对角线方向的移动。这样,任意的运动轨迹都可以被实现。

当LCE薄膜被切割成“喜”的形状时,如图3所示,该“喜”字可在光照下快速向前蠕动。光源快速从“头”到“尾”移动,它的多处波浪形结构会有效地将薄膜向前拉拽,而“口“部的设计很大程度上减小了与接触面的摩擦力。在50秒内,它能实现17mm的移动。

图2:(a-f) 环形LCE薄膜的线性移动.  (g-h) 用环形LCE薄膜实现 “U” 和 “M” 轨迹的移动。

图3:“喜”字形的LCE薄膜的定向移动。

论文信息:

Programmable Light-Driven Liquid Crystal Elastomer Kirigami with Controlled Molecular Orientations

Juan Chen, Andrew Scott Johnson, Jada Weber, Oluwafemi Isaac Akomolafe, Jinghua Jiang*, Chenhui Peng*

Advanced Intelligent Systems

DOI: 10.1002/aisy.202100233

原文链接:https://doi.org/10.1002/aisy.202100233