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一根头发“秒变”爬行机器人?!源于这项“烫发”新技术
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2021-04-04 15:24

  南开大学团队研获自固定智能头发人工肌肉

  论文截图

  图1头发人工肌肉的应用展示

  南开新闻网讯(记者 吴军辉)制作能走会动的机器人就一定很复杂吗?不!在科学家手中,一根普通的人类头发就可以“秒变”爬行机器人。长期致力于人工肌肉材料研究的南开大学药物化学生物学国家重点实验室、化学学院刘遵峰教授团队利用加捻和冷烫技术研发出了一种自行固定智能头发人工肌肉,可通过感知湿度实现自动伸缩,用它制成的毛虫机器人可以做出爬行、扭转等动作。该技术为含化学键的加捻纤维的定型提供了一种新策略,在生物相容性智能材料、传感器和软体机器人研发领域中具有广阔应用前景。

  拉伸和扭转驱动是基本的变形类型,可用于构建复杂的变形驱动,如弯曲、滚动、爬行等。人类的肌肉纤维、蜘蛛丝以及铃状铃虫的细长茎等,都是天然界中存在的自固定的纤维驱动器,可以实现伸缩和扭转等运动。

  “但是,这些天然材料不能直接用于工业和人类生活中。因此,急需开发基于生物相容性和生物可降解的天然材料的新型自固定人工肌肉。这种基于生物材料的自固定智能驱动器可用于传感器、控制器以及组织工程、医疗保健和人机交互的软机器人中。”刘遵峰说。

  带着这样的问题,刘遵峰团队开始寻找合适的天然生物材料。而美发厅的烫发技术让团队找到了灵感。

  “长久以来,人们一直在寻找让头发卷曲的方法。古埃及人把头发卷在木棒上,用湿泥涂匀,经太阳晾晒后就获得了一头卷发。后来,水烫、火烫、电烫相继出现。如今,冷烫技术被普遍使用。如果能有一种新型烫发技术,可以让头发感知环境湿度变化而智能调控发型,那将多么神奇。”刘遵峰介绍。

  图2头发的表征及基于二硫键制备人工肌肉的机理

  头发是一种由丰富角蛋白组成的天然生物材料,具有高拉伸强度、高隔热性、完全的生物降解性以及容易获得等优点。由于头发中α-角蛋白对水具有高灵敏响应性,因此,研究团队认为,头发非常适合制备自固定人工肌肉。经过反复试验,团队利用头发中二硫键和氢键形成的交联网络,开发出了这种“智能烫发新技术”,实现了湿度响应的头发人工肌肉的自固定。

  首先,他们将加捻后的头发纤维用硫代乙醇酸铵溶液还原,打开原来存在的S-S键形成–SH键。随后,在月桂胺氧化物溶液中氧化S-S键重组形成新的交联网络,来保持头发纤维的捻度,实现智能自固定。该人工肌肉可以通过控制从–SH键到S-S键的氧化程度,来实现自固定人工肌肉驱动的可逆性和不可逆性的调控。可逆的旋转型人工肌肉实现了122.4°mm-1的旋转,同手性和异手性伸缩性人工肌肉分别实现了94%的收缩和3000%的伸长。这种优异的驱动性能取决于头发纤维吸水后角蛋白内氢键断裂和相关的结构转化造成的体积膨胀,并通过X射线衍射和宏观表征得到了证实。

  图3旋转型头发人工肌肉的扭转驱动和机械性能

  研究团队用这种自固定头发人工肌肉制作了湿度传感器、智能开关、爬行毛虫机器人。

  “这项研究重要的意义在于提供了一种新的策略,通过生物相容性和可生物降解天然材料中的化学交联来实现捻度的保持,来制备自固定的纤维人工肌肉,并实现人工肌肉可逆性的调节。这项新技术可拓展应用于含–SH键的其他天然和人造材料的自固定中,并对含其它动态可逆共价键材料的自固定具有借鉴意义。”刘遵峰说。

  该研究获得国家自然科学基金、天津市自然科学基金和南开大学相关计划资助。介绍该成果的论文日前发表于国际材料学权威期刊《材料视界》(Materials Horizon)上。刘遵峰教授为论文通讯作者,南开大学博士生冷雪琪为第一作者。

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/mh/d1mh00234a

编辑:付坤

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