天津大学于仕辉课题组MME: 以柔克刚以弱制强 ——基于铜纳

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时间:2022-09-19 01:37:24 作者:ob欧宝最新地址 来源:OB欧宝网页登录

  天津大学微电子学院于仕辉课题组使用铜纳米线、PET和LDPE薄膜制备出柔性透明执行器,在6V的低工作电压下可以实现90°的弯折角度和1mN的弯折力。以柔性透明执行器为基础,制备了具有一定透明度的仿生抓手。

  老子在《道德经》中说到,“坚强者死之徒;柔弱者生之徒。是以兵强则灭,木强则折。强大处下,柔弱处上。”强调的就是以柔克刚的道理。而在执行器领域亦有以柔克刚的道理显现。传统的刚型执行器使用可以产生强大的作用力的机械臂,在调整柔软而脆弱的物体时很容易破坏他们的结构或形状。柔性执行器应运而生,柔性执行器的材料本身具有柔性,在接触到物体时不会对他们造成影响,因此可以广泛应用于柔性机器人、人造肌肉、柔性操纵器和药物运输等领域。而多种多样的控制方法例如光、热、湿和磁也进一步扩展了柔性执行器的使用范畴。

  传统的柔性执行器一般采用电活性聚合物材料,这种材料制备的执行器需要数千伏特的电压来驱动,极高的工作电压在高危的同时也限制了其应用场景。因此可以在低温低压下工作的热膨胀材料制备的执行器成为其有效的替代品。该种执行器通过热膨胀来产生形变,使用碳纳米管、石墨烯和金属纳米线等来提供热膨胀所需的热量。碳基材料具有低电导率和不透明的缺点,因此金属纳米线是制备柔性执行器的最佳选择。铜纳米线具有和银纳米线相近的电导率,而铜的价格却远远低于银,因此我们选择的铜纳米线对于大规模生产有天然的优势。

  天津大学微电子学院于仕辉课题组设计并制造了一种透明电热柔性执行器,该执行器通过夹在两种具有不同热膨胀系数的柔性材料(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和低密度聚乙烯(LDPE))之间的铜纳米线(Cu-NWs)实现。为了改善柔性执行器的弯曲特性,我们研究了不同宽度加热器的加热性能,以及执行器在不同电压下的弯曲特性。制造的柔性执行器可产生90°的弯曲,并在6 V的低电压下提供约1 mN的力。该柔性执行器已经应用于仿生机器人。我们设计了一种双指柔性透明夹持器,其中利用两个柔性执行器模拟人体手指的运动,实现对精细物体的拾取和放置操作。此外,在具有一定透光率的柔性执行器夹紧过程中,可以观察到物体的形貌,有利于柔性执行器进一步的应用。

  研究者相信,此项研究将会为柔性执行器相关领域的研究打开一扇窗户,也为铜纳米线的应用范畴提供新的思路,也为我们展现了以柔克刚的神奇现象。这些直径几十纳米的纳米线,在一起发热的努力再加上热膨胀材料的帮助下,就可以撬动亿万倍自身重量的物体,以柔克刚,以弱制强。相关论文发表在Macromolecular Materials and Engineering上。

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