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受食肉植物启发,中国科研团队开发基于超快激光技术的混合智能表面

来源:Ringier     发布时间:2022-09-29
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近日,研究人员利用超快激光处理技术开发出了对水分敏感、形状变形、光滑的石墨烯智能表面。这种单一、仿生表面功能特性的组合,将有助于环境传感应用例如雨滴收集。新的混合表面还可以直接利用自然或人工设计的水蒸发产生的能量,然后将其转换为机械能或电能。新技术未来将对气候感应建筑系统、智能纺织品或仿生机器人的发展产生影响。


来自中国吉林大学的科学家们从食肉植物中获得灵感,食肉植物可以通过主动诱捕和被动诱捕两种机制之一诱捕和消化小昆虫。例如,猪笼草(Nepenthes)通过注入润滑剂的光滑表面通过被动诱捕机制捕获昆虫,而维纳斯捕蝇草(Dionaea muscipula)则通过复杂的驱动机制进行主动诱捕(如图1所示)。


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图1:受多种肉食植物启发,混合仿生湿敏形状变形光滑表面的基本概念。猪笼草借助注入润滑剂的光滑表面被动捕捉昆虫。维纳斯捕蝇草则是通过刺激-响应驱动机制主动捕食。将湿滑表面(被动捕食)和刺激响应驱动(主动捕食)结合起来,提出了一种基于氧化石墨烯的混合仿生湿变形湿滑表面,可以实现主动和被动液滴操纵


在过去,虽然开发这类特性的表面都是单独开发的,但据研究人员称到目前为止,将这些特性组合到单一表面仍然具有挑战性。在Opto-Electronic Advances中,研究团队描述了他们利用飞秒激光直接写入和同步结构诱导的光还原技术克服了挑战。


这种技术被用于制备在湿气驱动下动态变形的氧化石墨烯(GO)和激光还原氧化石墨烯(LRGO)双层致动器。然后,通过毛细管力在激光还原氧化石墨烯一侧固定润滑剂,并将注入润滑剂的光滑表面与致动器整合。其结果是形成了一个混合型、水分敏感、形状变形、光滑的表面,展示了主动捕获和被动捕获能力。


传统的刺激响应执行器能够在外部刺激下实现可逆变形,显示出开发陷阱机器人的巨大潜力。然而在大多数情况下,由于对环境刺激反应缓慢或缺乏表面润湿性控制,简单的弯曲变形无法捕获昆虫。我们将湿敏致动器与润滑油注入的光滑表面结合在一起。驱动力和滑性的协同作用使充油LRGO/GO膜具有更强的捕捉能力。


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水滴在湿敏形状的光滑表面上的操纵。(a)使用形状变形的光滑表面主动和被动操纵含有活管鱼的水滴的示意图。(b)变形光滑青蛙舌头的照片。比例尺为1.5cm。(c)一朵水滴采摘花。每个花瓣都是由形状变形的光滑表面(油-LRGO/GO)制成。比例尺为1.5cm。(d)湿气引发了对含有活管足类的水滴的主动接近,以及在变形的光滑表面上的被动滑动行为。比例尺为0.5cm。(e)动态过程中水滴外围的相应轨迹。(f、d)中形状变形滑面的曲率变化。(g) 开路电压和(h)短路电流


研究团队展示了一种湿敏形状变形的光滑表面,可以主动接触液滴并让它们被动滑动。基于这种混合仿生概念,他们研制了一种智能青蛙舌头,可以捕捉和操纵含有活管足类的水滴(图2a和2b)。值得注意的是,湿滑的表面在湿气驱动下会弯曲,接触到液滴并让它滑到底部,这表明了主动捕捉和被动捕捉能力。


除了智能青蛙舌头,研究人员还准备了一种水分感应花,在瓶颈处有六个可变形且光滑的花瓣,用于主动收集液滴(图2c)。当环境湿度较低时,花朵盛开将光滑的表面暴露在环境中。随着湿度增加,花瓣向中心弯曲。弯曲特性和光滑的表面使液滴能够传输到瓶子中。


除了液滴操纵之外,这种对水分敏感的形状变形的光滑表面还显示了摩擦电效应在液滴检测中的潜在应用。在这项工作中,将摩擦电效应与形状变形的光滑表面相结合的目的是检测液滴而不是发电。它能够敏感地检测形状变化的光滑表面上的液滴滑动行为,这对液滴操纵非常有帮助。


研究人员通过在氧化石墨烯侧沉积一对金电极来检测电信号。湿滑表面的润滑层被用作液滴滑动的主动可变形湿滑基底,以及用于有效电荷转移的介电层。如图2g和2h所示,当液滴滑过前后电极时,可以检测到电信号。摩擦电效应引起的电信号可以解释为:最初两个金电极之间的电位是相等的,两个金电极之间没有电位差。当液滴从前电极滑到后电极时,由于双电层的形成,可在前金电极上感应电荷,导致电位差增大。


这项工作的意义在于,研究人员制作了一种形状可变的光滑表面,该表面具有刺激响应变形和油润滑光滑特性的混合仿生功能。形状变形能力与光滑表面的结合既有利于驱动性能,也有利于具有超湿性的智能表面的实用性。


此外,它还带来了除目标昆虫捕捉之外的新应用,例如液滴收集、液滴操纵和雨量传感。注入液体的表面因清洁、防结冰和防生物污染等特性而得到开发。跨物种仿生材料既有利于致动器设计也有利于超湿智能表面的开发,湿敏形状变形光滑表面显示出发展仿生机器人的巨大潜力。

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