结构易仿、制造不易、科学更难 史玉升教授团队4D打印仿生结构实现传感-执行一体化

时间: 2024-08-06 02:41:49 |   作者: kaiyun官方平台app下载

　　生物体完美地将传感和执行融合在一起，达到一体化的目的，但对于机器人等智能装备而言，却是一个极为复杂和具有挑战的难题。为此，近年来国内外学者将半柔性、柔性传感器集成到机器人等智能装备中，以期实现其传感-执行一体化功能。但目前的传感和执行多是相互独立，需通过将其在元器件水平集成，因此研发在材料水平上集成的传感-执行一体化智能器件，成为一个新的发展的新趋势，有望为它的灵敏度和响应速度的提升提供新途径。

　　近期，华中科技大学、吉林大学、中国地质大学（武汉）和清华大学合作完成了4D打印仿蝎子缝结构研究，实现了器件传感-执行一体化，与之相类似的文章发表于《Advanced Science》，并被选为封底文章。本期所讲述的内容并不限于该研究的介绍。

　　史玉升教授团队受蝎子缝感受器超敏缝结构的启发，仿生设计出梯度缝结构，4D打印炭黑纳米粒子/聚乳酸（PLA）复合材料，成形出具有自主形变并能自感知应变和温度的仿生缝结构器件。

　　炭黑纳米粒子/PLA复合材料拥有非常良好的导电性能和形状记忆效应，通过3D打印的器件在加热后可发生可控形状变化，故称4D打印。在加热过程中，由于炭黑纳米粒子与PLA的膨胀率不同，炭黑纳米粒子间的距离改变引起电子遂穿效应变化，使器件电阻改变，从而将热信号转变为电阻信号实现温度自感知；同时，器件在形状改变过程中，器件缝结构周边的炭黑纳米粒子会接触-分离，器件内局部接触电阻变化使器件的电阻改变，从而将自身形变信号转变为电阻信号实现应变自感知。

　　基于此，研究者将该仿生4D打印器件应用于模拟手指触碰电子设备屏幕。在温度激励下器件形状改变，模拟手指主动触碰屏幕，在这样的一个过程中器件形变引起其缝结构间距的变化使器件整体电阻改变，实现器件形状变化自感知。在触碰瞬间，可通过电阻的变化检测到器件触碰屏幕的应力，实现触碰应变自感知。

　　该研究成果将智能材料、仿生结构和3D打印有机结合，实现了材料水平上传感-执行一体化，为未来机器人等智能装备的关键器件研发提供了新的思路和途径。

　　注：此前，史玉升教授团队还分别采取了SLS及SLM技术分别打印了磁性多孔结构和螺旋结构，实现了一种新型的4D打印。结合以上内容，两篇研究原文已上传QQ群。

　　游隼是世界上飞的最快的鸟，能以非常陡峭的角度进行高速俯冲捕食，其生理机能表现出的机械性能，可改善飞机的空气动力学，提升飞机的安全性和燃油效率。

　　英国BAE系统公司于2017年利用增材制造技术开发出“传感羽毛”，能够在飞机出现失速危险时提前预警，还可改变靠近飞机表面的气流，有实际效果的减少机翼遇到的阻力，提升飞机速度，未来有望用于战斗机等武器装备中。此项研究将为航空航天业带来真正意义的创新与效益。

　　除此之外，2017年，麻省理工学院的研究人员采用3D打印技术成功制造出仿海螺壳的工程材料，并且进行了有效测试。海螺壳的内部结构很独特，包含三个不一样的层次，导致微裂纹难以扩散，因此使其具有超强的耐用性和抗断裂性，它的韧性甚至能达到珍珠层的10倍。

　　采用3D打印技术仿制的海螺壳工程材料，防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍，是传统纤维复合材料的1.7倍，很适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲。研究人员表示，这样一种材料具有类似Z字形的矩阵，裂缝传播困难，采用传统方法很难仿制这种材料。

　　生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织架构，以达到最优的性能／功能来应对环境的变化。Nature以《推开3D打印的限制》”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。

　　同时，Nature《生物材料进化的启迪及其应用》综述性论文认为，生物材料蕴含着大量的源自于自然界的成分与结构信息，并指出尽管生物材料的化学成分一直是其设计关注的焦点，但对于其在非医学领域的潜在应用，应更关注其在结构拓扑优化、力学性能、功能等方面的物理属性及响应。

　　而南航顾东东教授也指出，“结构易仿、制造不易、科学更难”，仿生设计虽为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但在实际制造中却有相当难度，问题大多是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。

　　增材制造仿生结构设计与制造，应突破诸多科学问题，而这些关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。

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