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一种基于形状记忆聚合物的软体机器人

“为什么鸭嘴兽不是胎生？Ellie 说，是因为鸭嘴兽太胖太扁，胎生的话 Baby 会在肚子里压死，所以就卵生，反正我觉得有道理。” 这是一位科学家妈妈陪 7 岁的女儿学习时发的一条朋友圈。四天后，她又发了一条朋友圈，内容是：“愿你继续努力！愿我继续加油！” 配图是她的学生被授予优秀毕业生的荣誉证书。她是妈妈，也是老师，更是科学家，她就是东华大学材料学院复材系副教授杨丽丽。前不久，受多头螺丝刀的启发，她开发出一种基于形状记忆聚合物的软体机器人。图 |一张“五瓣花”软体机器人的照片，它具备功能编程能力、快速 3D 组装能力、光驱动的局部双向驱动和批量的单向驱动能力（来源：受访者）以“五瓣花”机器人为例，它能利用光驱动自愈合的机制，来实现自我编程和自身 3D 快速装配。图 | 可形变的软体机器人“五瓣花”（来源：受访者）今年 39 岁的杨丽丽，来自山东沂蒙山区的一个小村庄，上树爬山、下河摸鱼是童年的常态，因此她对大自然有着根深蒂固的热爱。受此影响，从哈工大博士毕业以来，她就决定专心研究动态仿生材料。动态仿生现象非常常见，比如花朵在白天开放、夜晚闭合；壁虎遇到危险能快速断尾；变色龙可根据环境颜色改变自身颜色。在外场刺激下，动态仿生材料也能改变自身形状或性质，以适应不断变化的环境。同样。因此，用这种材料做成的机器人，环境适应能力也非常强。图 | “青蛙”软体机器人可执行一系列组合光驱动的运动任务，包括局部可逆形状转换、重新配置和重新编程（来源：受访者）即使服役环境或执行任务出现改变，这类机器人也可通过光焊接调整局部单元，从而快速执行新动作；就算局部单元受损，也能通过光驱动实现自愈合。图 | 基于掺杂少量银纳米线的半结晶乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）的制备、光响应和光愈合机理（来源：受访者）本次研究的痛点在于，多数软体机器人的功能过于单一，给其设计了动作 A 就只会动作 A，做调整也只能做整体调整，很难进行局部调整。以做海底探测为例，假如周围环境有变化，机器人就得改变任务，而机器人的动作已被编程设计好根本无法更改，这时机器人就等于毫无用处。基于该痛点，她打算提高软体机器人的环境适应能力。 ▍把热驱动更换为光驱动目前的软体机器人一般采用气动、电场、流体、磁场等驱动方式，但是在复杂的服役环境下，往往存在驱动元件比重过大、操作复杂等缺点。而她想到的办法是光驱动，优势在于它采用远程非接触式，此外还可做局部精确控制。选好了驱动方式，接下来就是选材料。常见驱动材料主要包括水凝胶、液晶弹性体、形状记忆聚合物等，水凝胶的杨氏模量（固体材料抵抗形变能力的物理量）普遍偏低，应用领域比较受限；液晶弹性体往往要对端基、或侧基进行特殊分子设计和聚合方法设计；相比之下，形状记忆聚合物就显得更优秀。作为一种形状记忆聚合物，乙烯 - 醋酸乙烯共聚物 (EVA，ethylene-co-vinyl acetate) 聚合物已经完全工业化生产，成本低且杨氏模量适中。美中不足的是，EVA 属于热驱动智能材料，因此得想办法让它可以被光驱动。为把热驱动更换为光驱动，杨丽丽给软体机器人加入了银纳米线，这是一种具有出色光热效应的材料。图 | 银纳米线的扫描电子显微镜图（来源：受访者）接着，她采用多元醇还原的方法，把银纳米线掺杂在 EVA 中，光照会让银纳米线迅速吸热，银纳米线 / EVA 复合材料也会因此迅速升温，而这会引发 EVA 的热场响应特性，进而具备光响应特性。研究中，她以混合和热压的方式，设计出加载了少量银纳米线的基于 EVA 的光响应致动器。这使得机器人的周遭环境发生改变时，其功能可以被改变，相关单元能从主体分裂，而另一个编程单元能以光焊接的方式连接到主体上。如下图所示，这是基于银纳米线的光热效应、和 EVA 的热驱动变形机制的实验，它展示了机器人的光致变形能力。图 | 银纳米线 / EVA 复合材料的程序化和可逆变形机制（来源：受访者）实验中，当把灯打开，驱动畴中的晶体熔化后，U 形物体就会膨胀；熄灯时，定向链段冷却后再结晶，U 形物体就会收缩，这说明银纳米线 / EVA 复合材料表现出了可逆的光致变形行为。下图为在不同光照强度下，复合材料弯曲角的变化，在相应条件下辐照 5 秒后，所有复合材料都能弯曲到最大 180°，试想如果一只机械手能弯曲这么大幅度，必将实现更多功能。图 | 复合材料的弯曲角随光强度的变化（来源：受访者）复合材料的驱动速度、以及在光照或关灯时的弯曲角度如下图所示，当暴露于光时，银纳米线 / EVA 需要花费约 6 秒，来使角度从 0° 增加到 27.5°；当光源关闭时，15 秒内即可恢复初始状态。图 | 复合材料的驱动速度、以及在光照或关灯时的弯曲角度（来源：受访者）如下图所示，在 808nm 下以 10w cm^−2 的曝光条件时，银纳米线 / EVA 花费约 4 秒，就可使软体机器人角度从 0° 增加到 25.0°；关灯后，由于冷却速度加快，角度可在 5 秒内迅速恢复到初始状态。此外，即使在 808nm 的高强度下，该复合材料在 80 次光开 / 关循环后，仍可表现出稳定的变形行为。图 | 银纳米线 / EVA 复合材料在空气和水下的光致变形行为（来源：受访者）这些结果表明，复合材料的光触变形行为是快速可逆的，并且光热效应的增强还可提高驱动速度。 ▍可像伤口一样自愈合的软体机器人与此同时，杨丽丽看到自然界中有很多自愈合现象，比如皮肤被划伤后会长出新肉并恢复原状。由于软体机器人往往应用在国防军事和自然灾害勘测等，因此执行任务时很容易受伤，而如果制备出的材料具有自愈合功能，就能大大延长生命周期，这样生产成本便可得到降低。图 | 具有自愈性的软体机器人（来源：受访者）研究中，她发现银纳米线 / EVA 复合材料也拥有良好的自愈行为，这让软机器人能快速组装成复杂的 3D 形状，同时受损部件也可实现自愈。如下图所示，将大块试样切成两半，经过光照后便可自愈。为进一步了解自愈的内在机制、以及自愈对形状记忆性能的影响，杨丽丽测试了自愈后的变形行为，并与其他可能的方法进行了比较。图 | 银纳米线 / EVA 复合材料的光驱动自愈行为（来源：受访者）在下图中，她将银纳米线 / EVA 试样切割成两半，通过光照固化一小时，然后进行从 “I” 形到 “U” 形的单向编程，最终发现 “U” 型复合材料能完全恢复到最初的 “I” 型。图 | 银纳米线 / EVA 复合材料不同键合方式方案及红外单向形状记忆过程图像（来源：受访者）相比之下，只利用 EVA 涂层并进行光照处理后的试样，不能恢复到初始的 “I” 形。杨丽丽认为，这种愈合的改善归因于 EVA 的化学交联。自愈合的另一个好处，在于可实现软体机器人的光焊接，即能把机器人分成几个单元单独进行编程。此外，软体机器人在执行任务时，如果需要对某个局部做功能性替换，把局部单元切断，并换上另一个可满足要求的单元，机器人就可实现自愈合，并重新恢复能力。据悉，这种材料可用在航天、生物医学、柔性电子等众多领域，若结合 4D 打印技术，则拥有更广阔的应用前景。例如，在外太空执行抓取任务时，这种远程非接触的光驱动机器人就会非常灵巧。不过本次研究也有待优化的地方，比如材料在循环愈合十次之后，材料强度下降较为明显。目前，她和团队也正在寻找提高自愈合性的策略。 ▍一名科研女性的 “迁徙”：从中部到东北再到江南本硕博期间，杨丽丽均就读于哈尔滨工业大学材料学专业，甚至博后研究也是在哈工大，后来干脆留在母校干了三年半的副教授。如果不是因为家庭原因来到上海，她大概还在哈工大。除去中间两年去美国宾夕法尼亚大学做访问学者，从 17 岁考入哈工大，到做完博后研究、又留校任教，这位不到四十岁的山东女子，竟有整整 15 个年头留给了东北。材料，是她从本科至今从未更换的方向，也是她将会一直从事的领域。从中国到美国，从东北到上海，她依然初心不改，目前在东华大学材料学院复材系担任副教授。作为两位孩子母亲的“妈妈型科研人”，她一直把自己和孩子以及学生的关系定性为“一起成长，共同进步”，她认为照顾孩子的重点不在于监督，培养学生的重点也不在于督促，而在于一起经历思考的过程，以及一起感受科学的乐趣。在她的排序中，个人提升是她最看重的。正如导演贾玲就电影《你好李焕英》所说的，“妈妈不仅仅是妈妈，她首先是她自己”。她能做的就是，在家带领孩子们真真切切感受自然、感受生活、感受爱，在学校带领学生们踏踏实实学习知识、学会思考、物以致用。当自己变得更好，孩子和学生们也会自然而然地成长。责任编辑：lq

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