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一種基于形狀記憶聚合物的軟體機(jī)器人

“為什么鴨嘴獸不是胎生？Ellie 說，是因?yàn)轼喿飓F太胖太扁，胎生的話 Baby 會(huì)在肚子里壓死，所以就卵生，反正我覺得有道理?！?這是一位科學(xué)家媽媽陪 7 歲的女兒學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)的一條朋友圈。四天后，她又發(fā)了一條朋友圈，內(nèi)容是：“愿你繼續(xù)努力！愿我繼續(xù)加油！” 配圖是她的學(xué)生被授予優(yōu)秀畢業(yè)生的榮譽(yù)證書。她是媽媽，也是老師，更是科學(xué)家，她就是東華大學(xué)材料學(xué)院復(fù)材系副教授楊麗麗。前不久，受多頭螺絲刀的啟發(fā)，她開發(fā)出一種基于形狀記憶聚合物的軟體機(jī)器人。圖 |一張“五瓣花”軟體機(jī)器人的照片，它具備功能編程能力、快速 3D 組裝能力、光驅(qū)動(dòng)的局部雙向驅(qū)動(dòng)和批量的單向驅(qū)動(dòng)能力（來源：受訪者）以“五瓣花”機(jī)器人為例，它能利用光驅(qū)動(dòng)自愈合的機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)自我編程和自身 3D 快速裝配。圖 | 可形變的軟體機(jī)器人“五瓣花”（來源：受訪者）今年 39 歲的楊麗麗，來自山東沂蒙山區(qū)的一個(gè)小村莊，上樹爬山、下河摸魚是童年的常態(tài)，因此她對大自然有著根深蒂固的熱愛。受此影響，從哈工大博士畢業(yè)以來，她就決定專心研究動(dòng)態(tài)仿生材料。動(dòng)態(tài)仿生現(xiàn)象非常常見，比如花朵在白天開放、夜晚閉合；壁虎遇到危險(xiǎn)能快速斷尾；變色龍可根據(jù)環(huán)境顏色改變自身顏色。在外場刺激下，動(dòng)態(tài)仿生材料也能改變自身形狀或性質(zhì)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。同樣。因此，用這種材料做成的機(jī)器人，環(huán)境適應(yīng)能力也非常強(qiáng)。圖 | “青蛙”軟體機(jī)器人可執(zhí)行一系列組合光驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，包括局部可逆形狀轉(zhuǎn)換、重新配置和重新編程（來源：受訪者）即使服役環(huán)境或執(zhí)行任務(wù)出現(xiàn)改變，這類機(jī)器人也可通過光焊接調(diào)整局部單元，從而快速執(zhí)行新動(dòng)作；就算局部單元受損，也能通過光驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自愈合。圖 | 基于摻雜少量銀納米線的半結(jié)晶乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）的制備、光響應(yīng)和光愈合機(jī)理（來源：受訪者）本次研究的痛點(diǎn)在于，多數(shù)軟體機(jī)器人的功能過于單一，給其設(shè)計(jì)了動(dòng)作 A 就只會(huì)動(dòng)作 A，做調(diào)整也只能做整體調(diào)整，很難進(jìn)行局部調(diào)整。以做海底探測為例，假如周圍環(huán)境有變化，機(jī)器人就得改變?nèi)蝿?wù)，而機(jī)器人的動(dòng)作已被編程設(shè)計(jì)好根本無法更改，這時(shí)機(jī)器人就等于毫無用處。基于該痛點(diǎn)，她打算提高軟體機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。 ▍把熱驅(qū)動(dòng)更換為光驅(qū)動(dòng) 目前的軟體機(jī)器人一般采用氣動(dòng)、電場、流體、磁場等驅(qū)動(dòng)方式，但是在復(fù)雜的服役環(huán)境下，往往存在驅(qū)動(dòng)元件比重過大、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。而她想到的辦法是光驅(qū)動(dòng)，優(yōu)勢在于它采用遠(yuǎn)程非接觸式，此外還可做局部精確控制。選好了驅(qū)動(dòng)方式，接下來就是選材料。常見驅(qū)動(dòng)材料主要包括水凝膠、液晶彈性體、形狀記憶聚合物等，水凝膠的楊氏模量（固體材料抵抗形變能力的物理量）普遍偏低，應(yīng)用領(lǐng)域比較受限；液晶彈性體往往要對端基、或側(cè)基進(jìn)行特殊分子設(shè)計(jì)和聚合方法設(shè)計(jì)；相比之下，形狀記憶聚合物就顯得更優(yōu)秀。作為一種形狀記憶聚合物，乙烯 - 醋酸乙烯共聚物 (EVA，ethylene-co-vinyl acetate) 聚合物已經(jīng)完全工業(yè)化生產(chǎn)，成本低且楊氏模量適中。美中不足的是，EVA 屬于熱驅(qū)動(dòng)智能材料，因此得想辦法讓它可以被光驅(qū)動(dòng)。為把熱驅(qū)動(dòng)更換為光驅(qū)動(dòng)，楊麗麗給軟體機(jī)器人加入了銀納米線，這是一種具有出色光熱效應(yīng)的材料。圖 | 銀納米線的掃描電子顯微鏡圖（來源：受訪者）接著，她采用多元醇還原的方法，把銀納米線摻雜在 EVA 中，光照會(huì)讓銀納米線迅速吸熱，銀納米線 / EVA 復(fù)合材料也會(huì)因此迅速升溫，而這會(huì)引發(fā) EVA 的熱場響應(yīng)特性，進(jìn)而具備光響應(yīng)特性。研究中，她以混合和熱壓的方式，設(shè)計(jì)出加載了少量銀納米線的基于 EVA 的光響應(yīng)致動(dòng)器。這使得機(jī)器人的周遭環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，其功能可以被改變，相關(guān)單元能從主體分裂，而另一個(gè)編程單元能以光焊接的方式連接到主體上。如下圖所示，這是基于銀納米線的光熱效應(yīng)、和 EVA 的熱驅(qū)動(dòng)變形機(jī)制的實(shí)驗(yàn)，它展示了機(jī)器人的光致變形能力。圖 | 銀納米線 / EVA 復(fù)合材料的程序化和可逆變形機(jī)制（來源：受訪者）實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)把燈打開，驅(qū)動(dòng)疇中的晶體熔化后，U 形物體就會(huì)膨脹；熄燈時(shí)，定向鏈段冷卻后再結(jié)晶，U 形物體就會(huì)收縮，這說明銀納米線 / EVA 復(fù)合材料表現(xiàn)出了可逆的光致變形行為。下圖為在不同光照強(qiáng)度下，復(fù)合材料彎曲角的變化，在相應(yīng)條件下輻照 5 秒后，所有復(fù)合材料都能彎曲到最大 180°，試想如果一只機(jī)械手能彎曲這么大幅度，必將實(shí)現(xiàn)更多功能。圖 | 復(fù)合材料的彎曲角隨光強(qiáng)度的變化（來源：受訪者）復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)速度、以及在光照或關(guān)燈時(shí)的彎曲角度如下圖所示，當(dāng)暴露于光時(shí)，銀納米線 / EVA 需要花費(fèi)約 6 秒，來使角度從 0° 增加到 27.5°；當(dāng)光源關(guān)閉時(shí)，15 秒內(nèi)即可恢復(fù)初始狀態(tài)。圖 | 復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)速度、以及在光照或關(guān)燈時(shí)的彎曲角度（來源：受訪者）如下圖所示，在 808nm 下以 10w cm^?2 的曝光條件時(shí)，銀納米線 / EVA 花費(fèi)約 4 秒，就可使軟體機(jī)器人角度從 0° 增加到 25.0°；關(guān)燈后，由于冷卻速度加快，角度可在 5 秒內(nèi)迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。此外，即使在 808nm 的高強(qiáng)度下，該復(fù)合材料在 80 次光開 / 關(guān)循環(huán)后，仍可表現(xiàn)出穩(wěn)定的變形行為。圖 | 銀納米線 / EVA 復(fù)合材料在空氣和水下的光致變形行為（來源：受訪者）這些結(jié)果表明，復(fù)合材料的光觸變形行為是快速可逆的，并且光熱效應(yīng)的增強(qiáng)還可提高驅(qū)動(dòng)速度。 ▍可像傷口一樣自愈合的軟體機(jī)器人與此同時(shí)，楊麗麗看到自然界中有很多自愈合現(xiàn)象，比如皮膚被劃傷后會(huì)長出新肉并恢復(fù)原狀。由于軟體機(jī)器人往往應(yīng)用在國防軍事和自然災(zāi)害勘測等，因此執(zhí)行任務(wù)時(shí)很容易受傷，而如果制備出的材料具有自愈合功能，就能大大延長生命周期，這樣生產(chǎn)成本便可得到降低。圖 | 具有自愈性的軟體機(jī)器人（來源：受訪者）研究中，她發(fā)現(xiàn)銀納米線 / EVA 復(fù)合材料也擁有良好的自愈行為，這讓軟機(jī)器人能快速組裝成復(fù)雜的 3D 形狀，同時(shí)受損部件也可實(shí)現(xiàn)自愈。如下圖所示，將大塊試樣切成兩半，經(jīng)過光照后便可自愈。為進(jìn)一步了解自愈的內(nèi)在機(jī)制、以及自愈對形狀記憶性能的影響，楊麗麗測試了自愈后的變形行為，并與其他可能的方法進(jìn)行了比較。圖 | 銀納米線 / EVA 復(fù)合材料的光驅(qū)動(dòng)自愈行為（來源：受訪者）在下圖中，她將銀納米線 / EVA 試樣切割成兩半，通過光照固化一小時(shí)，然后進(jìn)行從 “I” 形到 “U” 形的單向編程，最終發(fā)現(xiàn) “U” 型復(fù)合材料能完全恢復(fù)到最初的 “I” 型。圖 | 銀納米線 / EVA 復(fù)合材料不同鍵合方式方案及紅外單向形狀記憶過程圖像（來源：受訪者）相比之下，只利用 EVA 涂層并進(jìn)行光照處理后的試樣，不能恢復(fù)到初始的 “I” 形。楊麗麗認(rèn)為，這種愈合的改善歸因于 EVA 的化學(xué)交聯(lián)。自愈合的另一個(gè)好處，在于可實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的光焊接，即能把機(jī)器人分成幾個(gè)單元單獨(dú)進(jìn)行編程。此外，軟體機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，如果需要對某個(gè)局部做功能性替換，把局部單元切斷，并換上另一個(gè)可滿足要求的單元，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)自愈合，并重新恢復(fù)能力。據(jù)悉，這種材料可用在航天、生物醫(yī)學(xué)、柔性電子等眾多領(lǐng)域，若結(jié)合 4D 打印技術(shù)，則擁有更廣闊的應(yīng)用前景。例如，在外太空執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)，這種遠(yuǎn)程非接觸的光驅(qū)動(dòng)機(jī)器人就會(huì)非常靈巧。不過本次研究也有待優(yōu)化的地方，比如材料在循環(huán)愈合十次之后，材料強(qiáng)度下降較為明顯。目前，她和團(tuán)隊(duì)也正在尋找提高自愈合性的策略。 ▍一名科研女性的 “遷徙”：從中部到東北再到江南本碩博期間，楊麗麗均就讀于哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，甚至博后研究也是在哈工大，后來干脆留在母校干了三年半的副教授。如果不是因?yàn)榧彝ピ騺淼缴虾?，她大概還在哈工大。除去中間兩年去美國賓夕法尼亞大學(xué)做訪問學(xué)者，從 17 歲考入哈工大，到做完博后研究、又留校任教，這位不到四十歲的山東女子，竟有整整 15 個(gè)年頭留給了東北。材料，是她從本科至今從未更換的方向，也是她將會(huì)一直從事的領(lǐng)域。從中國到美國，從東北到上海，她依然初心不改，目前在東華大學(xué)材料學(xué)院復(fù)材系擔(dān)任副教授。作為兩位孩子母親的“媽媽型科研人”，她一直把自己和孩子以及學(xué)生的關(guān)系定性為“一起成長，共同進(jìn)步”，她認(rèn)為照顧孩子的重點(diǎn)不在于監(jiān)督，培養(yǎng)學(xué)生的重點(diǎn)也不在于督促，而在于一起經(jīng)歷思考的過程，以及一起感受科學(xué)的樂趣。在她的排序中，個(gè)人提升是她最看重的。正如導(dǎo)演賈玲就電影《你好李煥英》所說的，“媽媽不僅僅是媽媽，她首先是她自己”。她能做的就是，在家?guī)ьI(lǐng)孩子們真真切切感受自然、感受生活、感受愛，在學(xué)校帶領(lǐng)學(xué)生們踏踏實(shí)實(shí)學(xué)習(xí)知識(shí)、學(xué)會(huì)思考、物以致用。當(dāng)自己變得更好，孩子和學(xué)生們也會(huì)自然而然地成長。責(zé)任編輯：lq

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