国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  在自然界中，很多智能生物，如章魚、水母和蠕蟲等都兼具環境感知能力和多模態運動能力。受益于這些獨特的能力，智能生物能夠在感知外界環境變化的同時，適時地調整其自身形狀和自身所處的空間位置，進而在復雜環境中完成各種自適應運動，對提升智能生物的容錯率和應急響應性至關重要。與這些智能生物相比，現有的人造柔性致動器仍存在形變模式單一、運動過程緩慢、缺乏自我反饋能力等問題。這些缺點降低了人造柔性致動器在復雜多變環境中的靈活性和適應性，使其難以應用于實際場景中。因此，開發具有多模態運動能力和穩定自感知能力的新型柔性致動器是一個極具意義的研究課題。

  近日，東北大學理學院王鐵強副教授、孟凡寶教授與四川輕化工大學付昱教授合作，制備了一種兼具超快響應速度、多模態運動能力和靈敏自感知特性的海綿狀水凝膠致動器。該工作以溫度誘導微相分離聚合方法制備的海綿狀聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠為基礎，結合磁性Fe₃O₄納米粒子的原位化學共沉淀和聚吡咯（PPy）的原位氧化聚合，構筑了具有多響應性的海綿狀自感知水凝膠（S-PNIPAM/Fe₃O₄/PPy）。通過調整近紅外光和磁場的不同組合，基于S-PNIPAM/Fe₃O₄/PPy的水凝膠致動器能夠在三維空間內分別完成折疊，收縮，光/磁追蹤，特殊彎曲等遠程光/磁調控的可定制多模態形變。此外，在磁場的驅動下，水凝膠致動器還能夠在密閉空間中精確導航到指定位置，并執行抓取，搬運，釋放等一系列連續形變行為以完成實際的工作任務。值得注意的是，PPy的引入使水凝膠致動器在發生形變時能夠產生可檢測的實時電學信號，受益于這種低遲滯的自感知特性，通過將電學信號映射為圖像信號，水凝膠致動器的形變過程能夠得到了實時的圖像反饋。借助于這種高效的電學反饋機制，水凝膠致動器能夠有效模仿智能生命體在復雜環境中的自適應運動。當場景中出現干擾因素時（干擾光或干擾物），水凝膠致動器能夠迅速地感知和判斷環境變化情況，并根據信號強弱對其自身形變行為做出適當調節，展現出良好的自診斷和自適應能力。這種具有多模態運動能力的海綿狀自感知水凝膠致動器為具有更高的自主性和復雜性的下一代柔性機器人的開發提供了新思路。

圖一、多響應海綿狀自感知水凝膠的制備流程以及閉環回路控制下水凝膠致動器的可視化多模態運動示意圖。

亮點1：可定制的多模態運動行為

  本工作中，磁性Fe₃O₄納米粒子和導電聚合物PPy賦予海綿狀PNIPAM水凝膠以良好的磁響應性和光熱轉化特性，通過調整近紅外光和磁場的不同組合，水凝膠致動器能夠分別完成“折疊-恢復”運動行為和“收縮-伸展”運動行為等兩種不同模式的可控形變，通過改變光和磁的組合情況，水凝膠致動器的運動行為能夠在兩種模式間自由切換。此外，通過調整近紅外光/磁場的數量，空間位置和作用方向等外界刺激參數，水凝膠致動器能夠分別完成光/磁追蹤、特異性彎曲等不同類型的特殊形變，展現出可定制的多模態運動能力。

圖二、水凝膠致動器的“折疊-恢復”形變行為和“收縮-伸展”形變行為

圖三、水凝膠致動器的光/磁追蹤形變行為和特異性彎曲形變行為

亮點2：精準的磁控導航能力

  本工作中，磁性材料的引入賦予水凝膠致動器良好的磁響應性，在外部磁場的驅動下，水凝膠致動器能夠自由導航到密閉空間內的任意指定位置，完成“走迷宮”等空間移動任務，在近紅外光的作用下，致動器還可以自發完成收縮形變，進而順利通過密閉空間內的特殊地段（如某些狹窄區域等）。此外，受益于水凝膠致動器良好的磁控導航能力和光致形變能力，基于水凝膠致動器制備的柔性抓手能夠在密閉空間中完成抓取，移動，釋放等一系列連續運動行為，順利應對不同的實際任務。

圖四、密閉空間內水凝膠致動器的磁控導航行為和連續形變行為

亮點3：低遲滯的形變自感知能力

  本工作中，水凝膠內的海綿狀PNIPAM網絡與導電聚合物PPy形成了半互穿網絡結構，兩種組分能夠在接近分子級別的微觀尺度上有效復合。當水凝膠致動器發生形變時，PNIPAM網絡的收縮會導致PPy分子鏈發生同步遷移，產生電學性能變化。受益于PNIPAM網絡與PPy分子鏈之間獨特的半互穿網絡結構，水凝膠致動器的形變行為與其電學傳感信號幾乎同時產生，在不同刺激強度下的連續測試和50次循環測試中，其形變能力和電學自感知能力都表現出良好的穩定性。結合“電學信號-圖像信號“的轉換端口，致動器的彎曲行為能夠得到實時的圖像模擬。

圖五、水凝膠致動器的自感知性能及形變過程中的實時圖像模擬。

亮點4：復雜環境中的形變自適應能力

  在低遲滯自感知性能的基礎上，通過連接到監測器，自動控制系統及可調諧激光器等組件構成的閉環控制回路中，水凝膠致動器展現出了復雜環境中的形變自適應能力。在該回路中，水凝膠致動器兼具感受器和效應器的雙重作用，其傳出的電學信號和接收的紅外光信號依次模擬了傳入神經和傳出神經。當環境中出現干擾光或干擾物時，水凝膠致動器的行為姿態發生改變并產生實時的電學信號。根據其反饋出的電學信號，閉環系統能夠在無人干預的情況下對水凝膠致動器所處的環境情況進行快速判斷，并通過改變主激光器的入射光強，實現對致動器的行為和姿態的快速調節。這種自適應運動行為在一定程度上模擬了自然界中智能生物“神經-肌肉”系統控制的智能運動，為新型智能仿生材料的設計和開發提供了新的思路。

圖六、水凝膠致動器在復雜多變場景中的自適應形變行為。

  結論：該工作制備了一種具有多響應性的海綿狀自感知水凝膠材料。以該材料構筑的水凝膠致動器，表現出可定制的多模態運動能力，精準的磁控導航能力，靈敏的電學自感知能力和復雜環境中的形變自適應能力，實現了復雜場景中的自診斷和自適應，為下一代智能軟體機器人的設計和制造提供了新的思路。

  該成果以“Sponge-like PNIPAM/Fe₃O₄/PPy composite hydrogel actuator with rapid response, self-sensing and multiple manipulating manners for complex application scenarios” 為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。東北大學博士研究生崔興臣為文章的第一作者，東北大學王鐵強副教授、孟凡寶教授與四川輕化工大學付昱教授為文章的共同通訊作者。

  原文鏈接：

  https://authors.elsevier.com/c/1lkUO4x7R2oFT1

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168066