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化学家编程液晶弹性体 只需使用光即可复制复杂的扭曲作用

人体肌肉系统的扭曲和弯曲能力实现了从行走和跑步到伸手抓握的变化范围和动态范围的运动。但是,复制看起来像在机器人中挥手一样简单的东西,需要一系列复杂的电机,泵,致动器和算法。匹兹堡大学和哈佛大学的研究人员最近设计了一种聚合物,称为液晶弹性体(LCE),可以对它进行“编程”,使其在有光的情况下发生扭曲和弯曲。

这项研究发表在《科学进展》杂志上,是由皮特·斯旺森工程学院由化学和石油工程学著名教授,约翰·A·斯旺森工程学教授Anna C. Balazs进行的。博士后助理,论文的第一作者詹姆斯·沃特斯(James T. Waters)。哈佛大学威斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程学院的其他研究人员包括乔安娜·艾森伯格,迈克尔·艾森伯格,迈克尔·勒奇,李树聪和姚玉星。

这些特定的LCE是非手性的:结构及其镜像相同。对于手征对象(例如人的手)而言,情况并非如此,手征对象不能与自身的镜像重叠。换句话说,右手不能自发转换为左手。但是,当非手性LCE暴露在光线下时,它可以可控地和可逆地向右扭曲或向左扭曲,从而形成右手和左手结构。

Balazs博士解释说:“分子和材料系统的手性通常决定着它们的性质。” 动态地和可逆地改变手性或将非手性结构驱动为手性结构的能力可以为动态改变给定系统的特性提供独特的方法。” 然而,迄今为止,达到这种结构可仍然是艰巨的挑战。因此,这些发现令人兴奋,因为这些LCE本质上是非手性的,但在存在紫外线的情况下会变成手性,而在去除光后会恢复为非手性。”

研究人员通过对微观LCE桩固定在空气表面的计算机建模,发现了这种独特的动态行为。从LCE骨架延伸出来的分子(介晶)都被磁场以45度(相对于表面)排列。另外,LCE与光敏材料交联。沃特斯博士说:“当我们模拟向一个方向发光时,LCE分子会变得混乱,整个LCE柱会向左扭曲;向相反方向发光,然后向右扭曲。” 这些建模结果得到了哈佛大学实验组的证实。

更进一步,研究人员使用他们经过验证的计算机模型来设计“嵌合体” LCE桩,其中桩上半部分中的分子在一个方向上对齐,而在下半部中在另一个方向上对齐。在光的作用下,这些嵌合体结构可以同时弯曲和扭曲,从而模仿人类肌肉系统实现的复杂运动。

巴拉兹博士说:“这就像木偶操纵木偶的方式一样,但是在这种情况下,光是绳子,我们可以通过耦合化学能,光能和机械能来产生动态和可逆的运动。” “能够理解如何通过这种复杂的集成来设计人工系统,对于创建可适应环境变化的自适应材料至关重要。特别是在软机器人领域,这对于构建具有可控,动态行为而又无需控制的设备至关重要。需要复杂的电子元件。”

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