Nature Materials：零消耗的光纤自动化

尚志者王 7年前 (2018-05-05) 4227浏览

【引言】

响应材料已广泛应用于生成具有内置复杂几何结构的线性致动器和微型凿子。研究结果表明，复杂的、功能齐全的机器只能由变形材料组成。 尽管如此，要在这些材料中完成旋转运动仍然依赖于传统的轮轴和轴图形。 本文中探索了几何零能量模式下，以在没有围绕轴行进的刚性轮的情况下引发弹性材料中的旋转运动。研究表明，预应变聚合物纤维封闭成环时，由于旋转对称性破坏杆周围产生弹性变形，当放置在两个热浴之间时，呈现自动致动和连续运动。 此结果构建了一个简单但强大的模型，可用于在机械预应变物体中创建主动运动。

【成果简介】

响应光、热、电或渗透应力的智能材料可作为简单的线性致动器进行操作。然而，传统机械机器的概念似乎更加丰富，并且可以进行更多的可逆运动。要构建真正复杂的连续性机器，不可避免地需要超越材料本身属性并进行反思样品几何形状、拓扑和对称性。凝聚态物理学的一个原理是，只要系统的连续对称性被破坏，就会出现零波数、零频率的“流体动力学”模式。经典实例是液晶中的向列相和XY模型21中的有序自旋相，其中旋转对称被优选的导向或自旋取向破坏。由于没有能量成本来共同旋转分子或自旋，所以相应的长波长畸变成为系统中的新的流体动力学变量。近日，海德堡大学的Igor M. Kulić 和 Falko Ziebert 研究员（共同通讯）在Nature Mater.上发表了一篇题为“Motorizing fibres with geometric zero-energy modes”的文章。本文对于弹性固体提出了一个模型，称为“嵌入式车轮”，它可以将软电机生成为响应材料，在承受内部机械预应力的物体中诱导和主动驱动连续弹性模式。
 
【图文导读】
 
图1 球状ZeeMs预拉伸弹性物体
a）将弹性杆封闭成圆形环路会引起内部的压缩应变（实线）和外部的拉伸应变（虚线）；
 
b）弹性环面现在具有变形模式，其能量和外部形式保持不变；
 
c）各种其他弹性物体，如莫比乌斯带和边缘皱折的圆盘，都拥有球状ZEEMs。
 
图2 自组织驱动ZeeMs
a）由弯曲引起的应变；
 
b）当放置在热表面和环境空气中，沿z方向（垂直于平面）产生温度梯度，并在其中产生热预应变方向；
 
c）几何强加的和热驱动的应变（a和b）的不相容导致动态不稳定性 - 环面开始以恒定的角频率ω转动。 旋转的方向取决于热膨胀系数的符号（草图案例显示了一个负热膨胀，如尼龙）；
 
d）在热板（175°C）上封闭成环状（半径2厘米，纤维厚度0.6毫米）的PDMS纤维变得坚固单向电机；
 
e）用小黄铜管将尼龙纤维封闭成环（半径6厘米），反方向旋转；
 
f）各种尺寸的尼龙环（纤维厚度0.6毫米）作为板温角频率的函数。
 
图3 螺旋光纤电机
a）尼龙纤维被铝架固定在螺旋路径上。 在加热板时，整个光纤旋转围绕其切线，执行工作和/或存储扭转能量；
 
b）在185℃旋转的螺旋电机（纤维厚度0.8mm，总螺旋长度3.2m）提升有效载荷（重量为20克的艾菲尔铁塔复制品）， 纤维从螺旋支架通过两个黄铜管引导并在那里自由旋转；
 
c）螺旋纤维电池'的充电。 插图：螺旋圈数与时间的函数关系各种长度在一端被严格阻塞。
 
d）在c中研究的螺旋的失速转矩作为螺旋长度的函数，其显示线性缩放。
 
图4 线性纤维的自发对称破碎和自推进
a）尼龙-6棒（直径0.6mm，长度12cm）的滚动运动；
 
b）和PDMS棒（直径3mm，长度11cm）的滚动运动；
 
c）热量梯度通过热膨胀和/或收缩引起弯曲。该温度很热（红色）或冷（蓝色）。 由于禁闭（在板）弯曲保持在平面内，这有效地产生扭矩；
 
d）转矩的方向和轧制速度取决于标志材料的热膨胀系数。
 
图5 纤维旋转和滚动
a）半径为0.3mm的尼龙-6纤维的作为温度函数的热诱导曲率；
 
b）滚动速度（与a中的纤维相同）。在第一个温度循环（红线）过程中，光纤经历退火过程并变​​得有条件（“受过训练”）。
在随后的降温/升温循环中，纤维达到可重现的速度（蓝/绿曲线）；
 
c）单纤维是双向的在这里显示的实验中，能够执行工作的马达单元在倾斜的平面上抵抗它们自身的重量。显示角度转向频率的尼龙-6纤维（0.2mm半径）作为在两个不同温度（红色，180℃;蓝色，140℃）下的轴向扭矩的函数。实线适合
理论预测扭矩 - 速度关系（补充方法）；
 
d）半径减小的光纤随着角频率的增加而旋转：两个温度的实验数据和γ= 0.75的幂律拟合R-γ。
 
【小结】
 
本文提出了一个名为“材料内的轮子”的概念，并用普通聚合物纤维证明了它的实际可行性。由于材料中出现动态沮丧，驱动离开平衡时，环形，螺旋和甚至线性光纤变成坚固的单件式电机。材料中的ZEEM是无处不在的，产生动力以驱动它们非常简单。基本模型表明，许多其他驱动机制应该可能导致轮换；实际上，这里与热通量相关的能量泵送速率（p）可以被垂直于平面的任何通量和与应变的耦合所替代。现在可以放弃古老车轮和车轴，并利用内在ZEEMs的洞察力为软机器打开了新视角。采用普通塑料、橡胶和淀粉制造的ZEEM电机需要重新考虑智能材料的意义，并将关注点从微观材料特性转向对称和拓扑结构。通过它们，这些材料获得了集体智能，不存在于其各自的部分中，而是以其微妙的相互作用进行整个球体的编码。
 
文献链接：Motorizing fibres with geometric zero-energy modes（Nature Mater.，2018，DOI:10.1038/s41563-018-0062-0）

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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