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Environment

模仿章鱼的“皮肤”

科学家们受到章鱼的启发,研发出的新型材料不但能够拉伸至原长度的六倍,且能发光。

by Bethany Halford/文
March 7, 2016 | APPEARED IN VOLUME 94, ISSUE 10

 

视频:发光
生物启发,让制造发光“皮肤”的成为可能。 版权:科学(Science)/康奈尔大学(Cornell University)/C&EN

灵活的肢体,柔韧的皮肤,多彩的伪装,使得章鱼在科学家和工程师中拥有不少“粉丝”。软机器人制造者便是其中之一,他们的机器人想要模仿这种生物逃入狭小空间的能力;伪装专家们则想要制造出一种可变色的表面材料,获得章鱼来躲避天敌时改变皮肤外观同样的功能。

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图:章鱼的皮肤具有弹性且能变色。 版权: Shutterstock
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图:章鱼的皮肤具有弹性且能变色。 版权: Shutterstock

来自康奈尔大学(Cornell University )的科学家们从章鱼的形状和变色能力获得灵感的,发明出一种具有超级柔韧性的“皮肤”材料——电致发光材料,而且该皮肤能够发出不同颜色的光。据介绍,该材料可用于软机器人和可穿戴设备,如能够作为屏幕的智能衣袖等。

版权: 科学(蓝色)

组图: 含锰(黄色)和含铜(蓝色)的硫化锌使新型弹性皮肤可改变颜色。 版权:Rob Kurcoba/康奈尔大学 (黄色)

康奈尔大学机器人实验室(Cornell University ,Organic Robotics Lab) 的Robert Shepherd研究员和他的研究伙伴研制出了这种新型智能皮肤。该皮肤使用一种由聚丙烯酰胺和氯化锂水溶剂制备的弹性离子水凝胶,这种材料最早由哈佛大学的科学家 George M. Whitesides 和 Zhigang Suo 于 2013 年提出。此次,Shepherd 及其团队成功地将这种水凝胶与其它材料整合,并能发出不同颜色的光(Science 2016, DOI: 10.1126/science.aac5082)。

Shepherd的团队所研发智能皮肤共有五层。其最核心的是一层电致发光硅胶,因含掺杂了磷光体的硫化锌粉末,故通电时能发出不同颜色的光。如,磷光体含铜掺杂物所制成的材料能发出蓝光或绿光,而磷光体含锰则能让皮肤发黄光。研究团队将这些金属混合在一起,便能产生白光。

该电致发光硅胶层位于两层弹性离子水凝胶之间,其中水凝胶用作电极,为核心层供电。在这三层外是两层硅树脂分别在两侧,从而形成五层。

Shepherd 的共同作者 Chris Larson 表示,将亲水的水凝胶和疏水的硅树脂粘合在一起是一项挑战。他们用臭氧将硅胶表面的 Si–O 键切开,得到表面羟基,最终获得成功。这种改性表面使得水凝胶层与硅树脂层很好的粘合在一起。

据介绍,这一新型皮肤能朝一个方向拉伸至其原始长度的六倍。这远高于其他高弹性显示材料,其他材料最多只能拉伸至原始长度的两倍左右。科学家们尝试将这种新型皮肤用于软机器人上,皮肤会随着机器人的缓慢蠕动而发光。

“这是高弹性显示材料和传感器领域的一次重大进步,在软机器人的应用方面肯定会大放异彩,” 加州大学圣迭戈分校(University of California , San Diego)的仿生机器人专家 Michael Tolley 说,“我可以预想这种显示和传感材料用于人机互动系统中,并能够用于服务型机器人,娱乐和许多其他应用中。”

据介绍,目前该皮肤所需供电电压非常高。 Shepherd 表示,他的团队正在设法将其变得更薄,以便用电池而非插头来为其供电

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