能模仿多种生物运动的“Janus”软体液晶机器人

点击上方“蓝字” 一键订阅

在自然界中，软体生物（如：蚯蚓，章鱼，青虫等）广泛分布于土壤，海水及河流中。经过万亿年的自然优化，这类生物具有变形大，形变多样，适应能力强等特点，可以使其通过改变身体形状在复杂多变的环境中高效运动。近年来，研究者从软体动物获得灵感，设计出了一系列软体机器人。与传统的硬质机器人相比，软体机器人由可承受大应变的软体材料组成，具有高自由度和连续变形的能力，可适应外界环境实现抓取，爬行，蠕动等运动。因此，这类机器人在感应及探测等领域都有广泛的应用前景。目前，软体机器人的研究仍然处于初级阶段，使用简洁有效的方法制造出驱动行为多样并且环境适应力强的软体机器人仍面临诸多挑战。

图一 （a）单轴取向液晶高分子交联网络的化学式 （b）电刺激液晶驱动器的组成（c）在电刺激下驱动器的大幅度可逆弯曲形变。

最近，加拿大舍布鲁克大学赵越教授团队设计出了一种能模拟多种生物运动的“双面神（Janus）”软体机器人。制造这种机器人使用的核心材料是该团队之前研制出的单轴取向液晶高分子交联网络（LCNs）。该液晶高分子材料力学性能优异，并能通过可逆热致相变，实现大幅度可逆形变。在这项研究中，作者将一根极细的镍铬合金电阻丝用聚酰亚胺胶带（Kapton）粘附在取向液晶高分子上，制备出了一个双层结构的电刺激液晶驱动器。当电阻丝接入电路时，电阻丝产生的焦耳热能够引起液晶材料的相变，从而引起驱动器的可逆形变（图一）。

图二 由电响应液晶驱动器构成的自锁型夹具。

与此同时，作者发现这种电刺激的软体驱动器的原始形状能够被轻易的编辑或者重新编辑成任意的三维结构。因此，同一驱动器能够实现各种不同的复杂三维形变。基于这一性能，这种驱动器还能被巧妙地设计成提起并放下重物的自锁型夹具（图二）。

图三 由一个电路构成的“双面神”软体机器人。（a，b）波浪形Janus机器人可以像毛毛虫一样通过两端交替拱起与伸直向前爬行。（c，d）螺旋状Janus机器人则可以通过两端交替地形成螺旋和解螺旋来模拟蚯蚓的运动。

基于这些优异的功能，这种电刺激的液晶驱动器被作者成功开发成新型“双面神“软体机器人。由于Kapton分布在同一液晶聚合物膜两端的上下两面，该机器人被分为两部分。在均匀的刺激源作用下，两部分被同时驱动，但驱动方向或运动模式相反。这种机器人可以模仿多种生物的运动方式（图三）。

图四 由两个电路构成的“双面神”软体机器人。（a，b）将两个驱动器叠成“X”状，当调节输入电波的模式时，机器人可以像四肢动物那样爬行。（c，d）当两个蜷曲的驱动器连接于纸箱上时，能模仿人类双脚直立行走并推动箱子的软体机器人。

更为有意思的是，基于多个驱动器并控制多个电路，这种机器人还能实现更为复杂的运动方式（图四）。

作者报道的“Janus“软体机器人设计简洁精巧，功能强大多样，能够为未来机器人领域的发展提供新的设计思路。该论文以“Biomimetic Locomotion of Electrically Powered “Janus” Soft Robots Using a Liquid Crystal Polymer” 发表在材料领域顶级期刊《先进材料》（Adv. Mater. 2019, 1903452）上，并当选为封面论文。论文第一作者及共同一作分别为舍布鲁克大学博士生肖尧予和江智超，舍布鲁克大学赵越教授为通讯作者。该项研究工作得到了加拿大自然科学与工程研究基金（NSERC），中国留学生基金委（CSC）等支持。

通讯作者简介：赵越，加拿大舍布鲁克大学教授，四川大学“长江学者”讲座教授，加拿大化学化工学会会士。多年来致力于液晶高分子，刺激响应高分子及自组装功能材料等方向的研究。在JACS，Angewandte，Adv.Mater.等知名期刊上累计发表论文200余篇，引用次数达12000余次。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201903452

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

关注高分子科学技术 👉

长按二维码关注

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina
（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多