灵感来自章鱼,罗格斯大学3D打印迷彩机器人

3D打印科研前沿
2021
01/06
10:15
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2021年1月6日,南极熊获悉,来自罗格斯大学的研究人员创造了对光敏感的3D打印人工 "肌肉",能够按需改变外观和形状。

这种机器人设备基于一种新型水凝胶,灵感来自于乌贼、墨鱼和章鱼中的适应性细胞。一旦暴露在光的刺激下,这种弹性材料就能收缩并改变颜色,未来有可能应用在消费电子产品甚至军事伪装方面。

研究的主要作者Howon Lee说:"电子显示屏无处不在,尽管取得了显著的进步,但它们基于刚性材料,限制了它们可以采取的形状,我们的研究支持一种以伪装为特色的新工程方法,可以将其添加到软性材料中,并创造出灵活、多彩的显示器。"

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△罗格斯团队以他们的新型水凝胶为基础,在几种头足类动物中发现的变色细胞,图片来自NOAA Okeanos探索者计划

海底的增材制造灵感

章鱼与变色龙类似,它们能够可逆地改变自己的肤色或质地,以配合周围的环境。对于这些海洋生物和它们的头足类动物来说,这种机制要么用于交流,要么用于躲避捕食者,但这种行为也引起了研究人员的兴趣。

之前的研究发现,章鱼的独特能力要归功于它的皮肤上自然生长的数千种名为 "染色体 "的光反射细胞。虽然机制还不完全清楚,但科学家们知道,这些细胞附着在肌肉上,一旦拉伸,就会打开含有彩色色素的囊。

虽然之前已经尝试过头足类启发的颜色调制,但复制体的传感和致动功能往往是分开进行的。因此,这些基于鱿鱼的设备具有笨重、复杂的控制系统,发射触发变色机制所需的磁信号。

为了实现这一目标,工程师们需要设计一种新型的反应性水凝胶,一旦光固化,就会产生一种能够按需驱动的材料。

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△工程师们的装置是一个复制的章鱼 "囊",里面有黑白染料,一旦暴露在光源下就会打开,图片来自《Applied Materials and Interfaces》杂志

工程师们的可伪装装置

在研究过程中,团队开发了一种 "智能凝胶",由一种装载有纳米颗粒的聚合物组成,能够将光转化为热能,并迫使致动发生。利用他们的新材料,团队能够打印一个光反应肌肉,它还具有一个 "囊 "和刚性外框。
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组装完成后,装置表现出对四种不同投影模式的感应和致动能力,在两分钟内打开复制品囊。所表现出的反应水平也证明了它能够做出复杂的反应,并且可以调节到 "开 "和 "关 "之间的设置。

尽管表现出了保真度的水平,但将三个装置连接在一起确实会导致它们之间发生一些 "热泄漏"。同样,罗格斯团队也承认,这些设备的速度、灵敏度和耐用性可以通过进一步的研究来提高。

虽然工程师们只测试了单色染料,但他们认为未来可以将其他颜色添加到设备的囊中以实现新颖的应用。他们建议,使用更明亮的颜色,可以成为打印显示器的理想选择,而基于地形的色调可能会为士兵提供伪装,使其免受敌人的伤害。

基于3D打印生物的作品

虽然罗格斯团队的方法很独特,但他们远不是第一个根据自然界中的机制来3D打印软机器人设备的研究人员。

总部位于康奈尔大学的科学家也受到头足类动物的启发,3D打印了一个复制的章鱼触角,肌肉排列栩栩如生。使用弹性体作为基础,使团队能够制造出设计自由度更大的物体,并实现比以前更复杂的形状。
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与此同时,佐治亚理工学院的研究人员则以温血哺乳动物为基础,改用3D打印出了一款节能的 "SlothBot "机器人。目前,该设备正在亚特兰大植物园上方使用,它正在监测下方的动物、植物和环境。
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在其他地方,康奈尔大学的另一个团队从离家更近的地方获得了灵感,3D打印了一个能够 "出汗 "的机器人肌肉。该设备柔软的手指状致动器使其能够留住水分,之后可以通过'出汗'来防止自身在长时间使用过程中过热。
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研究人员的研究结果详见其题为 "Multimaterial Printing for Cephalopod-Inspired Light-Responsive Artificial Chromatophores"的论文。论文由Daehoon Han、Yueping Wang、Chen Yang和Howon Lee共同撰写。


编译自:3dprintingindustry


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