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【光明日报】仿生毛毛虫结构自爬行驱动装置
日期:2015-05-22 | | 【

  

  

  中科院兰州化学物理研究所的周峰研究员及其合作者利用仿生毛毛虫结构,通过在具有褶皱结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面接枝响应性的聚电解质刷,实现了具有各向异性、瞬间响应性等性能的驱动器装置。

  大自然中的生物组织或者器官都具备将物理、化学信号转换为肢体运动的功能,例如,在自然环境发生变化的时候将神经信号转化为肢体运动。响应性的聚合物最为广泛地被用来制备各种驱动装置,聚合物刷因其特殊的表面物理化学性质,被广泛地用在各种响应性装置中,聚合物刷通过化学键锚固在表面上,且在表面高度取向,在环境发生变化时可以发生可逆的形貌变化。

  具有湿度响应性的聚合物引起了研究者们的广泛兴趣,因为水是自然界中的生物生存、繁衍的重要资源,更容易得到实际应用。但是仍存在着一些问题,如:由于水分子在驱动装置中的扩散速率较慢,使得驱动速率也较慢,尤其是体积大的驱动装置,驱动速率会更慢,同时在弯曲变化的过程中伴随着大的体积变化,这显然不利于制备精密装置。同时,在大多数情况下,基底形貌对驱动行为有重要的影响,然而研究较少。

  周峰研究小组在PDMS弹性体薄膜表面,通过表面引发原子转移、自由基聚合接枝和具有湿度响应性的聚电解质刷来模拟毛毛虫的运动。由于聚合物刷在基底表面比其他聚合物材料具有更高的结构归整度,有利于水分子在驱动装置中的扩散,提高了驱动的速率。聚合物链在湿度变化时发生可逆的溶胀、收缩,该装置响应性非常快,同时褶皱的取向决定着卷曲的方向。通过控制褶皱,可以制备复杂的三维结构,如螺旋、梯度弯曲等。褶皱运动还可以模拟一些生物的取向运动,例如毛毛虫的爬行,通过身体皮肤的扩张收缩来改变其表面褶皱的形状和运动。

  《光明日报》( 2015年05月22日 10版)