AFM丨室溫下快速自愈合的磁性軟彈性體超分子資料(SHSME)

近日,新加坡國立大學HoGhimWei課題組開發出一種室溫下快速自愈合的磁性軟彈性體超分子資料,不僅展示了極其優异的自愈合能力,還有著遠高於自愈合水凝膠資料的力學强度。

軟體機器人有著動作敏捷、人機互動安全可靠以及不同環境下適應性優异的優點,囙此近年來在工業與生物醫療領域引起了廣泛關注與研究興趣。但是,軟體機器人本身的力學柔軟特性使其面對現實環境中可能遭遇的穿孔及切割類損傷時,效能會大大降低甚至損毀。為了克服這個致命的問題,科學家開始嘗試利用自愈合聚合物資料來設計與構築軟機器人。儘管自愈合聚合物在軟體機器人領域取得了一定的進展,但仍然面臨著一系列的限制因素,包括力學强度低、癒合時間長、自愈合條件苛刻以及癒合過程功能失效等。囙此,開發出具有優异自愈合能力並兼顧力學强度的彈性聚合物資料,對於軟體機器人的性能提升以及設計空間開拓,有著重大的研究意義與應用價值。

近日,新加坡國立大學Ho GhimWei課題組開發出一種室溫下快速自愈合的磁性軟彈性體超分子資料(SHSME),不僅展示了極其優异的自愈合能力,還有著遠高於自愈合水凝膠資料的力學强度。這種SHSME資料實現了軟體機器人的閉環式設計思路:(1)熱可重塑性可以滿足變化的器件形態需求;(2)快速自修復提高了軟機器人的功能魯棒性與工作壽命;(3)模組化設計實現了定制化的機器人構造與功能。這項研究以標題A Fast Autonomous Healing Magnetic Elastomer for Instantly Recoverable,ModularlyProgrammable,and Thermo-recyclable Soft Robots發表於《Advanced Functional Materials》,通訊作者為Ho Ghim Wei教授,文章第一作者為程蔭博士。

【圖文解析】

SHSME的合成與自愈合機理

在SHSME資料設計中,利用生物小分子硫辛酸作為聚合物網絡基本單元,NdFeB微顆粒作為磁性分散單元。SHSME含有大量的二硫鍵、氫鍵以及金屬-配體鍵等動態鍵合,囙此在資料損傷介面存在豐富的未配對動態鍵合,這些懸掛的未配對鍵可以通過非常規擴散作用重新結合從而實現資料的自發修復。

圖1.SHSME的結構與自愈合原理

SHSME的自愈合效能表徵

在切斷-自癒合-拉伸測試的表徵下,資料展示了優异的自愈合能力:在室溫條件下,5s內可恢復300%的拉伸應變,10min內幾乎完全恢復力學强度。SHSME在自愈合效率和力學强度之間達到了良好的平衡:有著媲美自愈合水凝膠的快速自修復能力,同時接近矽橡膠類資料的拉伸强度。此外,SHSME在水下和低溫(-20oC)條件下也成功實現癒合效果。

圖2.SHSME的自愈合效能表徵

基於SHSME的水陸兩栖自癒合軟體水蜘蛛

利用SHSME的熱可重塑性設計構築了軟體水蜘蛛,磁控軟體水蜘蛛不僅能够進行多種運動模式(站立、旋轉、翻滾以及貨物搬運),並且在陸地和水下遭到切割損壞後,都實現了即時(5s)的運動功能恢復,為兩栖自癒合軟體機器人提供了設計思路。

圖3.軟體水蜘蛛的運動模式以及水陸兩栖自愈合能力

基於SHSME的模組化組裝軟體機器人設計平臺

利於SHSME的快速自愈合以及資料熱可逆性,研究人員提出了一種模組化組裝多功能軟體機器人的資料可迴圈式設計平臺,並展示了包括人造藤蔓、多地形運載器以及多模態電子開關等一系列的三維結構功能性軟機器人。

圖4.閉環式模塊組裝多功能軟體機器人

基於SHSME的限制性空間內機器任務設計

限制性空間的狹窄通道對於軟體機器人的部署是個巨大的挑戰。研究人員利用SHSME的非接觸式遠程磁控運動和磁控組裝,提出了一種遠程操控的“分解-導航-再組裝”策略,實現軟體機器人的穿越部署與任務完成。在應用實例中,多足機器人“化整為零”後爬行入狹窄通道並完成重新組裝,充當橋樑協助水蜘蛛完成搬運任務。

圖5.基於SHSME的“分解-導航-再組裝”策略

全文連結:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202101825

原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號

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資料標籤: 機器人 力學
本文標題: AFM丨室溫下快速自愈合的磁性軟彈性體超分子資料(SHSME)
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656060669790167
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