摘要materials：合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院胡穎研究員和張晨初副研究員課題組materials，根據(jù)自然界中蝦的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。 提出materials了一種由柔性執(zhí)行器和鋁外骨骼組成的可編程執(zhí)行器。 通過改變外骨骼的寬度和角度materials，可以控制執(zhí)行器的響應(yīng)速度、擴(kuò)展距離和方向。 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種柔性爬行執(zhí)行器。

關(guān)鍵詞： Advanced Materials Technologies , 可編程執(zhí)行器，柔性雙層執(zhí)行器，爬行執(zhí)行器，合肥工業(yè)大學(xué)

雙層致動(dòng)結(jié)構(gòu)是一種新型的智能結(jié)構(gòu)，能夠在外部刺激下進(jìn)行自主重構(gòu)，這引起了人們的極大興趣，并被廣泛應(yīng)用于如仿生驅(qū)動(dòng)、柔性電子、微型機(jī)器人等領(lǐng)域。其可以對(duì)各種外界刺激(如電場、pH、濕度、溫度、光等)，表現(xiàn)出不同的機(jī)械行為。在上述外部刺激類型中，光驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器因其無系繩驅(qū)動(dòng)、無接觸、控制簡潔等優(yōu)點(diǎn)而成為最具吸引力的驅(qū)動(dòng)方式之一。值得注意的是，光驅(qū)動(dòng)雙層結(jié)構(gòu)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)是由應(yīng)力失配導(dǎo)致的，在外界刺激下，不同材料的應(yīng)力失配導(dǎo)致軟執(zhí)行器按一定的規(guī)律彎曲。也就是說，在一定的外界刺激下，執(zhí)行器的彎曲角度和彎曲方向相對(duì)穩(wěn)定。如何對(duì)柔性執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行可編程性控制是一個(gè)難點(diǎn)。

在軟執(zhí)行器可編程控制領(lǐng)域，人們做了大量的研究工作。例如，通過刻蝕溝槽、激光加工石墨烯結(jié)構(gòu)和添加帶槽的石蠟等。以上方法在制備雙層結(jié)構(gòu)的過程中需要添加各向異性結(jié)構(gòu)，這些各向異性結(jié)構(gòu)往往需要在柔性致動(dòng)器的制作過程中進(jìn)行制備，且一旦添加，就無法在不傷害執(zhí)行器的情況下被移除。因此，如何對(duì)加工后的雙層執(zhí)行器進(jìn)行無損傷的可編程操縱仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在自然界中，蝦的體內(nèi)沒有由脊椎骨組成的脊柱，而體表有堅(jiān)硬的外骨骼，蝦可以通過腹部迅速向前彎曲，使身體向后上方突然躍起。受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)出不同形狀的外骨骼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軟執(zhí)行器上，在一定的外界刺激下表現(xiàn)出不同的機(jī)械行為。將外骨骼應(yīng)用于柔性雙層執(zhí)行器具有許多優(yōu)點(diǎn)：首先，外骨骼材料對(duì)雙層結(jié)構(gòu)沒有傷害；其次，通過設(shè)計(jì)外骨骼的形狀可以控制執(zhí)行器的彎曲響應(yīng)；第三，外骨骼可以對(duì)雙層結(jié)構(gòu)提供一定的保護(hù)。本實(shí)驗(yàn)中使用的雙層膜材料是由碳納米管(CNTs)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成的CNTs/PDMS雙層材料，是一種高性能的軟執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)材料。為了減少外骨骼重量對(duì)執(zhí)行器的影響，外骨骼材料選用鋁箔，因其重量輕、可塑性好、易制備各種形狀。由于外骨骼覆蓋雙層結(jié)構(gòu)的外表面，遮擋紅外光，使裸露部分受到刺激，并為整體執(zhí)行器提供物理支撐，因此可以根據(jù)裸露部分的形狀實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)。

本文提出了一種快速、簡單、無損的可編程柔性執(zhí)行器制備方法。研究表明，隨著外骨骼寬度的增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伸展(收縮)比和響應(yīng)速度會(huì)降低。隨著外骨骼角α的增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)隨之增大。此外，設(shè)計(jì)了一種柔性爬行驅(qū)動(dòng)器，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過應(yīng)用不同的外骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。執(zhí)行器上未施加外骨骼時(shí)，在160秒內(nèi)執(zhí)行器直線爬行6.5毫米，向右爬行11.7毫米；執(zhí)行器上施加外骨骼（外骨骼角α=5°，寬度為0.5mm）時(shí)，在160秒內(nèi)直線爬行9.7mm，向右爬行0.3mm，實(shí)現(xiàn)了更好的直線爬行。這種簡單、通用、高效、無損的方法能更好地提高軟執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)能力。由于該方案中的外骨骼結(jié)構(gòu)對(duì)軟執(zhí)行器沒有傷害，因此該方法可以應(yīng)用于多種刺激響應(yīng)軟執(zhí)行器上。

與傳統(tǒng)的致動(dòng)器相比，該執(zhí)行器可以進(jìn)行無損壞的重新編程，在生物系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出更大的潛力。相關(guān)論文在線發(fā)表在 Advanced MaterialsTechnologies 上。

WILEY

論文信息：

A Bioinspired Programmable Soft Bilayer Actuator Based on Aluminum Exoskeleton

Chenchu Zhang, Heng Zhang, Renfei Chen, Linhan Zhao, Hao Wu, Chaowei Wang, Ying Hu*

Advanced Materials Technologies

Advanced

Materials

Technologies

期刊簡介

Advanced Materials Technologies創(chuàng)刊于2016年4月， 是一本刊載技術(shù)相關(guān)的銜接材料科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用的高質(zhì)量期刊，著重于基于新材料的先進(jìn)工程、器件設(shè)計(jì)和新技術(shù)。Advanced Materials Technologies于2017年初被Web of Science收錄，最新的影響因子為7.848。

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