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模拟好望角毛毡苔:浙工大吴化平教授团队研制仿生捕蝇器!

作者:必发88游戏登录 来源:必发88官网游戏 日期: 2022-04-10 00:47:34 人气: - 评论: 1

  大自然中生物系统的复杂性、适应性给科学家们提供了异想天开的创新灵感。浙江工业大学吴化平教授团队与其合作者发明了一种仿生好望角毛毡苔、具有智能捕食能力的捕获软机器。

  相关研究工作以封面文章(Cover Picture)发表在2022年3月23日最新一期《先进功能材料》上。

  食虫植物除了大名鼎鼎的猪笼草,还有好望角毛毡苔。它叶片上的腺毛,会分泌出黏液捕捉昆虫。当昆虫被困后,叶子会因其向触性而卷曲,提供更多的消化腺来协助消化。

  相比猪笼草,好望角毛毡苔是更加智慧的猎手,除了能快速捕食,还具备针对不同体积猎物选择性捕食的能力。

  例如,小体积和大体积猎物的触碰都会使叶面开启闭合机制,但叶片后续的捕食反应却截然不同。当小昆虫开始挣扎时,叶片上更多的腺毛向昆虫聚拢直至整个叶片卷曲,从而将昆虫牢牢包裹住并消化吸收。

  相反,当叶片察觉到蝴蝶及飞蛾等大猎物时,则会出于消化能力的限制而主动展开叶片放弃捕食。这是自然界植物长期以来应对周围不同环境刺激所进化出来的适应性行为,既可以起到自我保护的功能,又能使捕食效率达到最大化。

  为模拟好望角毛毡苔的快速捕食行为,吴化平教授团队根据双层材料在热场刺激下存在显著的热响应差异原理,设计了由主动热响应和被动热惰性双层结构组成的“柔性驱动器”。并通过蛇形网状图案的纳米金层来传递焦耳热,定量地评估柔性加热器的升温及散热性能。

  理论及测试结果均表明随着施加电流的增加,加热器的温度表现出良好的线性变化,并具有优越的驱动性能。

  在较低的加热温度下(90℃),驱动器的弯曲曲率半径可达1.67cm,驱动响应时间和回复时间分别为5s和7s,且可逆性和稳定性良好,能实现连续多个循环变形后弯曲曲率不降低。

  团队将六个花瓣形状的软驱动器固定在塑料枝上,在软结构中引入仿叶脉状的分布式加热器,模拟可以捕食的花瓣。经测试,所有花瓣都表现出快速可控的弯曲变形,表现出重复闭合和展开的行为,就像自然界中真正的好望角毛毡苔捕捉猎物一样。

  仿生好望角毛毡苔捕食行为的自感知能力包括猎物的瞬间冲击和花瓣的实时变形,这要求能够同时对动态和静态刺激做出反应。

  为此研究团队在驱动模块上集成了压阻和压电两种传感器,分别同时检测静态和动态的机械刺激捕食过程。

  其中,压电模式检测应变速率的能力依赖于其频率响应,不同加载速率的刺激可以导致压电电压的差异。通过压电电压的峰值可精确检测出变形速率,同时从压阻模式的相对电阻变化可反馈出器件的弯曲应变。此外,通过压阻传感器和压电传感器的协同作用,可以同步感知柔性驱动器在弯曲变形过程中的弯曲应变、应变速率和方向。

  为了模拟更智能的捕食能力,研究团队创建了由可编程软执行器和多模态传感器组成的人工仿生好望角毛毡苔软机器,并与阈值反馈控制模块相连接,以实现智能捕食过程。

  当猎物落到仿生器件上时,“花蕊”部分的压电传感模块因受到动态压力产生了瞬态的脉冲电压,此时触发捕食行为,仿生电子毛毡苔“花瓣”在驱动电流的作用下发生弯曲变形。

  通过集成在花瓣上的压阻传感器的电阻变化,可以直观、定量地反映猎物体积的大小,并利用弯曲应变阈值进一步控制软驱动器对不同刺激做出自适应响应。

  “捕获和释放动作的主要区别在于是否达到了电阻阈值,只有当应变传感器检测到的电阻高于高阈值时,才会触发电好望角毛毡苔捕获小体积猎物;相反,应变传感器在高低阈值之间的电阻触发致动器的停止动作,放弃对大体积物体的捕食。花瓣的恢复可以通过停止施加驱动电流来进一步实现,起到自我保护的目的。”吴化平教授解释说。

  团队研制的仿生好望角毛毡苔软机器在多功能传感和快速驱动方案的协同作用下,能感知捕获过程中的多种特征,如应变速率、应变大小和方向,从而对理想大小的猎物具有精准的捕食行为,有望在智能软机器人、人机界面和电子假肢等领域发挥潜在作用。

  文章链接:(点击文末“阅读原文”查看)。浙江工业大学机械工程学院博士后裘烨为论文第一作者。浙江工业大学吴化平教授、浙江大学宋吉舟教授和浙江理工大学刘爱萍教授为论文的共同通讯作者。浙江工业大学为论文第一单位。《先进功能材料》是材料科学领域国际顶尖的学术杂志之一,最新影响因子为18.808。

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