還以為光驅(qū)動致動器只能在地面上行動嗎？No！《Nature Communications》最新報道了一種高性能光驅(qū)動“直升機(jī)”，轉(zhuǎn)速可達(dá)到7200rpm，響應(yīng)速度可達(dá)650ms，并且具有可控的飛行方向。
受到無脊椎動物以及植物的啟發(fā)，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了各式各樣柔軟、靈巧，并且可以應(yīng)用于軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的光驅(qū)動軟體致動器。一直以來，人們致力于發(fā)展能夠像人造飛行器那樣主動飛行的高性能光驅(qū)動軟體致動器。然而，這要求軟體致動器具有快速、高頻響應(yīng)的能力，而由于受到軟材料及結(jié)構(gòu)的限制，極難實現(xiàn)。
近日，蘇州大學(xué)董彬教授團(tuán)隊聯(lián)合北京化工大學(xué)石峰教授、德國馬普智能所Metin Sitti教授發(fā)展出了基于瓊脂/絲素蛋白/石墨烯高分子復(fù)合材料的光驅(qū)動“直升機(jī)”。其在光照的條件下，展現(xiàn)出和直升機(jī)這類旋翼飛行器類似的主動飛行行為。這種特殊的運動行為主要是由組成光驅(qū)動“直升機(jī)”的多元組分對光響應(yīng)性的協(xié)同與競爭關(guān)系所導(dǎo)致的材料可控形變、噴氣推進(jìn)、空氣動力學(xué)飛行來實現(xiàn)的。這一研究工作為下一代具有自主飛行能力并可執(zhí)行特定任務(wù)的軟體機(jī)器人的設(shè)計、合成以及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
這種光驅(qū)動“直升機(jī)”的成功構(gòu)筑依賴于高分子復(fù)合材料及其理性設(shè)計。在材料組分設(shè)計方面：高分子復(fù)合材料薄膜由三元組分組成，分別為吸濕性瓊脂、強(qiáng)韌性絲素蛋白以及層狀石墨烯薄片；在空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：材料按照五比一的長寬比來進(jìn)行設(shè)計。通過控制光照位點，并結(jié)合材料表面的周期性結(jié)構(gòu)，基于光熱效應(yīng)以及材料內(nèi)應(yīng)力實現(xiàn)可編程形變，形成攻角可調(diào)、仰角可控的類“螺旋槳”結(jié)構(gòu)。
在光的照射下，光熱效應(yīng)會導(dǎo)致光照位點材料內(nèi)部水的汽化，從而形成內(nèi)部為空腔的凸起，并在表面周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)下，形成“螺旋槳”結(jié)構(gòu)。當(dāng)凸起擴(kuò)展到薄膜邊緣的時候，會形成水蒸氣的噴流，提供推力，使薄膜高速旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生升力，從而使“直升機(jī)”起飛，并實現(xiàn)“爬升-平飛-降落“的三段式飛行行為。
在自然界中，很多植物都通過風(fēng)力來傳播它們的種子的。種子特殊的三維結(jié)構(gòu)使其能夠傳播到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。由于光驅(qū)動“直升機(jī)”的結(jié)構(gòu)與自然界中的翅果極其類似，該論文作者還研究了光驅(qū)動“直升機(jī)”的風(fēng)力傳播行為。研究發(fā)現(xiàn)光驅(qū)動“直升機(jī)”不僅具有和翅果類似的下落行為，而且還能夠在飛行的過程當(dāng)中保持飛行姿態(tài)的穩(wěn)定。這不僅可以使其被風(fēng)力傳播到更遠(yuǎn)的距離，而且還可以使其上負(fù)載的傳感器始終保持正面朝上的狀態(tài)。因此，這種光驅(qū)動“直升機(jī)”可以用做大范圍分布式環(huán)境傳感器，即通過一次釋放大量光驅(qū)動“直升機(jī)”，利用一次成像技術(shù)來獲得多個地點的傳感數(shù)據(jù)。
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