东华大学研发智能双响应变色-隐身一体化软体机器人

中研股份2018年11月23日讯  大自然蕴藏着无数的科学奥秘,变色龙作为自然界中的“伪装大师”,可以控制鸟嘌呤纳米晶体晶格从而实现皮肤颜色的可逆转换,基于变色龙隐身的仿生技术在军事隐身、工业建筑、时尚产业等领域取得广泛应用。而自然界中还存在一些更为高明的动物(例如拟态章鱼、墨鱼和安第斯雨蛙等),他们能够表现出更为复杂的双响应伪装能力,不仅能够像变色龙一样对周围的颜色做出快速响应,而且能够改变其自身的纹理和姿势以适应环境。

近日,东华大学王宏志教授课题组在智能变色—致动一体化软体机器人领域取得新进展,相关研究成果以《晶格收缩触发的协同电致变色致动器》(“Lattice-Contraction Triggered Synchronous Electrochromic Actuator”, DOI:10.1038/s41467-018-07241-7)为题发表于国际知名学术期刊《自然》(Nature)子刊《自然?通讯》(Nature Communications)。东华大学系论文第一完成单位,材料学院博士毕业生李克睿(现为新加坡国立大学博士后)与英国剑桥大学博士后邵元龙系共同第一作者,王宏志教授、王刚博士为共同通讯作者。

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图1:自适应隐身章鱼及其仿生器件构筑

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图2:电致变色致动双响应机理示意图与相关数码照片

自然界动物神奇的双响应伪装能力引起了研究团队的注意,如何同时实现对致动和颜色的双向控制成为了课题组科研攻关的重点。王宏志课题组在前期的工作中获得了蒸汽驱动的致动薄膜,并通过表面光子晶体功能化修饰实现了机械致变色(Nature Communications, 2018, 9, 590),然而上述薄膜材料还难以实现对致动和颜色变化的精确控制。相对于传统的力、热、光及蒸汽等控制因子,课题组研究人员发现电控可以实现精确调控并易于同其他电子器件进行集成化设计,因而开发出电控的变色-致动协同响应材料及器件就具有十分重要的意义。课题组在多年对电致变色和致动材料与机理的研究基础上,利用W18O49纳米线嵌/脱Li过程中晶格尺寸的变化,获得了精密电控变色-致动协同响应体系,实现了单一组分材料的多重响应功能,有效克服了复合薄膜体系由于界面效应所产生的可控性差、稳定性低、致动-变色不同步的问题。

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图3: 第一性理论计算、同步辐射原位XRD和动态计算机模拟阐明致动的核心影响因素---晶格收缩

第一作者李克睿告诉记者,从偶然发现的实验现象到发掘现象背后的科学价值,这背后是科研团队一次次实验、一次次验证,一次次失败之后的从头再来。共同通讯作者王刚博士说,在东华求学的日子学习到的不仅是知识,更是对于科学问题较真的态度。为了得到更为精确的实验数据,研究团队与英国剑桥大学、美国斯坦福大学以及西北大学相关人员合作,运用高能同步辐射光源实时在线检测,更加深入地观察精细结构和细微变化,最终通过第一性理论计算、动态计算机模拟及原位同步辐射研究,明确阐明了致动的核心影响因素---晶格收缩。所获得的基于氧化钨纳米线的一体化智能响应系统,实现了液相的多重指令执行,在此基础上进一步构建了可在空气中工作的赝电容致动器。这种非传统的赝电容致动机制不仅从材料微纳结构角度揭示了精密电控变色-致动协同响应机制,而且为多重响应隐身软体机器人的集成化智能化设计提供了材料及器件设计基础。

据了解,材料学院王宏志课题组在致动变色领域先后在Science Advances, Nature Communications, ACS Nano等国际知名期刊发表多篇研究论文,取得一系列研究成果。这些前期的研究工作为本篇研究论文的发表奠定了扎实的实验及理论基础。该研究成果在军事自适应隐身、智能可穿戴服装、柔性软体机器人等领域将有着广泛的应用前景。此项研究得到国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人等项目的大力支持。

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