聒噪夏日的傍晚,實驗室外的一只日本艾蛛正在加緊織網(wǎng),爭取趕在天黑前布下“天羅地網(wǎng)”,坐等食物上鉤。和往常一樣,艾蛛在堅固的結(jié)構(gòu)線上紡出粘合的、可拉伸的半透明捕捉線,用作框架。蜘蛛想要捕食,就必須在短時間內(nèi)一擊必殺,而捕捉線上的粘合劑涂層,就是它最可靠的絕招。半透明的捕捉線,方便其隱藏在任何的背景中,可伸縮性能幫助它應付于各種環(huán)境。然而,粘合劑“傷人”的同時,也不可避免地造成了蛛網(wǎng)的污染,進而降低蛛網(wǎng)的捕捉能力。因此,聰明的蜘蛛會織出最小的網(wǎng),降低污染,一旦感知到接觸引起的蛛網(wǎng)振動后,蜘蛛會以迅雷不及掩耳盜鈴之勢,從嘴里吐出額外的線纏住虛弱的獵物,雙管齊下,確保一擊必殺。
蜘蛛的感知策略不僅能阻止獵物逃跑,而且還能幫助蜘蛛建立最小的網(wǎng),從而將污染降到最低。此外,蜘蛛以類似于彈弓的方式拉并迅速釋放蛛網(wǎng),使得蛛網(wǎng)上的污染物可借助慣性力反彈,從而恢復蛛網(wǎng)的捕獲能力(圖1B)。鑒于此,蜘蛛可用珠網(wǎng)獨特的感知和清潔的功能,協(xié)同作用來捕捉獵物。
柔性材料制得的軟機器人,基于其可變形的身體,可以靈活地處理不可預測和不規(guī)則的任務。迄今為止,科學家已經(jīng)嘗試將不同的組成部分結(jié)合起來,但在一個單一系統(tǒng)中實現(xiàn)互補的相互作用,仍然是一個挑戰(zhàn)。
或許,蜘蛛特殊的工作習性能給人類以啟發(fā)。而靜電學就是解決上述難題的方法之一,即使用介電彈性體和軟電極可以實現(xiàn)捕獲、檢測和清洗,同時它們還可以通過電路進行快速、準確的控制。因此,采用靜電可允許一個簡單的結(jié)構(gòu)執(zhí)行互補功能,以產(chǎn)生協(xié)同作用(圖1 F-H)。
近日,來自韓國首爾國立大學的Young?Kim?&?Jeong-Yun?Sun等研究者模擬了基于離子蜘蛛網(wǎng)(ISWs)中的靜電原理的蜘蛛捕獲策略(圖1A-C)。ISW以可拉伸的離子導電有機凝膠為材料,用硅橡膠包封成一束狀制備而成(圖1D)。該有機凝膠由共價交聯(lián)聚丙烯酰胺(PAAm)鏈和乙二醇(EG)溶解氯化鋰(LiCl)組成(圖1E)。等離子蝕刻和(十七氟-1,1,2,2-四氫癸基)三氯硅烷(HDFS)處理顯著提高了清洗能力,防止了有機凝膠的蒸發(fā),進而提升了ISWs的耐久性。此外,與蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)線類似,尼龍絲用作ISWs的框架,以增強其力學性能。該研究成果以題為“Ionic spiderwebs”的論文發(fā)表在《Science Robotics》上(見文后原文鏈接)。
靜電吸附俘獲
蜘蛛用它們的粘性和可拉伸的網(wǎng)牢牢地捕捉各種類型的獵物,那么,人類是如何能模擬出類似的俘獲能力呢?
如圖2 (A-D)所示,在離線狀態(tài)(Vapplied?= 0)下,兩條線保持分離(圖2A)。當施加高壓時,離子沿每根螺紋的有機凝膠/硅橡膠界面排列,在線與線之間形成麥克斯韋應力(圖2B)。當這些線彼此靠近時,產(chǎn)生更強的電場導致了目標的極化。極化引起的電荷被外加電場吸引,從而ISW與靶體之間發(fā)生靜電粘附(圖2C)。
研究者發(fā)現(xiàn),當ISW與水平方向的傾斜度為80?時,附著力增加了6.5倍,說明ISW在大角度傾斜度時可以獲得較大的強度。如圖2I所示,柔性材料制得的ISW,當施加50%的應變時,附著力增加了37%,同時會產(chǎn)生更強的電場,從而提高靜電附著力。圖2J中可見,由于結(jié)構(gòu)簡單,0.2 g的ISWs就可以捕獲6.8 g的鋁板。
靜電感應傳感
人類的ISW獲得了捕獲能力后,如何獲得蜘蛛的感知能力呢?
蜘蛛利用最少的網(wǎng),降低網(wǎng)的污染,同樣,ISWs也裝備了該能力。如圖3 (D-E)所示,帶電目標的接近會在ISWs中產(chǎn)生電壓。因此,通過外部負載測量電壓確定ISW和被測目標之間的相對距離。沒有表面電荷的目標便不能被感知。在大多數(shù)情況下,接近的目標都是可以被感應到的。
圖3F中,通過在玻璃上摩擦不同的充電材料,在目標表面產(chǎn)生靜電荷。在1 Hz正弦波下,用0.5-1.5 cm不等的間隙距離(d)測試傳感器的感知能力(圖3G),這些電壓能緊密地跟蹤目標的位置。此外,目標與ISW的接觸也可以被感知。在靶體的不同接近速度下,感應電壓隨著外部負載電阻的增大而增大(圖3H)。
靜電振動清洗
當ISW實現(xiàn)了捕獲和感知能力后,接下來就是實現(xiàn)清潔的能力了。如圖4 (A-C)所示,提出了基于ISWs之間靜電吸引的振動清洗。在初始狀態(tài)(Vapplied?= 0),兩個網(wǎng)線被分離(圖4A)。當施加高電壓時,網(wǎng)線通過麥克斯韋應力相互吸引(圖4B)。當施加的電壓再次接近零時,網(wǎng)線被釋放(圖4C)。因此,交替吸引和釋放引起了ISW的振動。當振動頻率與ISW的共振頻率相匹配時,振動幅值最大,污染物便可以通過慣性反彈。
與其他污染物相比,水滴由于表面張力大,更難去除。采用HDFS對ISWs進行全氟化降低了其表面能。同時,通過空氣等離子體處理預拉伸ISWs形成微波條紋(圖4H),經(jīng)以上處理后水的靜態(tài)接觸角由122?提高到141.3?。HDFS處理后的微皺紋使靜態(tài)接觸角從141.3?最大化到153.3?(圖4I)。圖4J顯示了,在每個ISW上的水滴,經(jīng)過振動后,表面處理的ISW上的液滴輕易就被清除了。
離子蜘蛛網(wǎng)
是時候展現(xiàn)真正的技術(shù)了!如圖5A-C所示,由于線薄且透明,ISW在不同的環(huán)境(如森林、落葉、磚墻和建筑地板)中能輕松偽裝。為了提高附著力,ISW從水平方向傾斜到80?。在初始狀態(tài)下,ISW污染的塵埃,如聚氨酯粒子(圖5 D,i)。在清洗過程中,施加電壓的頻率被從30到60Hz掃過200秒后,覆蓋在ISW上的灰塵被明顯地清除了(圖5 D, ii)。在清洗后,ISW轉(zhuǎn)變?yōu)闊o外加電壓的傳感模式。當一個接近目標引起的感應電壓超過閾值電壓1 V, ISW迅速轉(zhuǎn)化為捕獲模式(圖5 D iii)。各種類型的材料,如一片葉子(0.4 g), PMMA (3.1 g),玻璃(8.5 g)以及鋁(11 g)?被ISW的靜電附著緊緊抓住(圖5 D, iv)。完成任務后,通過對ISW施加30 Hz的交流電壓時,目標被釋放(圖5 D, V)。
小結(jié)
綜上所述,研究者受到蜘蛛在蜘蛛網(wǎng)中捕捉獵物的啟發(fā),?在ISWs中模仿了捕捉、感知和清結(jié)的能力。通過靜電學的方法,利用硅橡膠封裝的單對離子導電有機凝膠實現(xiàn)了上述特性。提出的ISWs為軟機器人提供了一個設(shè)計原則,可以通過仿真自然協(xié)同功能實現(xiàn)機器人各部件之間的互補交互。ISWs有望在未來應用于機器人的自我清潔。
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