科学家师法树叶的叶脉结构,诡计出会复杂变形的“机器狗”

发布日期:2025-11-02 22:40    点击次数:98
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大当然中,植物的叶子能在风中眇小摇曳却不会撅断,这是为什么呢?这要归功于叶子里面的"骨架"——叶脉。

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中国科学院合肥物资科学筹商院的科学家们从叶脉中得回了灵感,研发出了一种新式的液态金属光热致动器,让机器东谈主既具有充足的强度,又能像叶子同样眇小!

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让咱们一皆来望望这项真理的发明吧!

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神奇的光热制动器:

用光来戒指物体通顺

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光热致动器是一种能将光能转化为机械能的安设。材料具有热胀冷缩特质,将热彭胀所有不同的两层或多层薄膜复合,温度升高后不合称彭胀导致复合薄膜波折。在复合薄膜中引入可将光能转化为热能的光热材料,就不错行使光来戒指薄膜的变形。以这种光运行薄膜动作"发动机"即可诡计出形描摹色的机器东谈主或仿生系统。当用光映照它,它就能阐发预设结构波折、伸缩以致跨越。

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以光为能源的光热运行夹合手器暗示图:模拟太阳光映照到螺旋机器臂上,温度升高,机械臂动掸、螺距增大;光裁撤后,温度回报,机械臂恢还原状;红外激光映照到夹合手器上,夹合手器展开;激光关闭,夹合手器关闭。图片着手:参考文件 [ 1 ]  

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这种时代在软体机器东谈主、智能传感器等限制有着平时的应用出路。比如,动作软机器东谈主的躯壳或者肢体戒指软机器东谈主的动作,动作智能传感器的光反馈基体等等。因此,光热致动器需要具有一定的强度才气再负载传感器等部件,同期还要保证在光刺激下实时反馈。

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但这些需求却是自然"矛盾"的——要是想要它反应快、变形大,就得作念得大意;但要是想要它承重智商强,就得作念得牢固。这就好比鱼和熊掌不行兼得,科学家们一直在寻找一种既能快速反馈又能承重的材料。

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来自科幻的灵感:液态金属

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科幻电影《拆伙者》中,有液态金属机器东谈主。施行中,液态金属是一种在室温下呈液态的金属,比如镓基合金。它既柔嫩又导电,还能接纳光能并将其转化为热能。

中国科学院合肥物资科学筹商院固体物理筹商所的田兴友筹商员和张献筹商员团队将液态金属微球加入到团员物材料中,发现它不仅能赋予材料光热特质,还不会让材料变硬。这么一来,材料既保合手了柔嫩性,又能快速反馈光的映照。

一喷就晕的喷雾剂

不外,只是加入液态金属还不够,科学家们还需要一种更奥密的诡计来提高它的性能。

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向大当然学习:

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叶脉与叶肉的完好搭配

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植物的叶子之是以能眇小又刚烈,是因为它的里面结构相配小巧:硬质的叶脉像骨架同样支合手叶片,而柔嫩的叶肉则缩小叶片波折阻力。科学家们从中得到启发,决定师法叶脉的结构来诡计光热致动器。

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他们用激光在液态金属 / 聚酰亚胺薄膜上刻蚀出沟槽,减薄薄膜以缩小变形阻力;沟槽之间未刻蚀的薄膜较厚,肖似叶脉。然后用一种柔嫩的材料(PDMS)进行封装。这种诡计就像给致动器装上了"骨架",既提高了其承载智商到本人分量的 190 倍,极度于一张 A4 纸不错承载两瓶水,又保合手了快速反馈的特质(60.96  ± 3.08 ° /s)。

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叶脉启发液态金属光热致动器。图片着手:参考文件 [ 2 ]  

会爬、会跳、会游水的"光驱机器狗"

基于这种仿生诡计,筹商团队生效制造出了一种新式光热致动器。它不仅反应速率快,还能杀青复杂的变形。行使这种时代,科学家们诡计出了一只"光驱机器狗",它不错在光的戒指下完成爬行、跨越、游水以致耸立等动作!

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"光驱机器狗"的模式

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"光驱机器狗"爬行、跨越、耸立。图片着手:参考文件 [ 2 ]  

此外,团队还开拓了一种高速回荡器,这种设立不错快速振动,将来可能将可用于小型机器东谈主或精密仪器中。这些真理的发明展示了液态金属光热致动器的普遍后劲。

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高速回荡器。图片着手:参考文件 [ 2 ]  

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这项筹商的冲突在于,它初次将仿生超结构引入液态金属光热致动器中,为将来的诡计和制造提供了新想路。这些筹商效劳均已发表在材料学期刊《Advanced Materials》上。

瞻望将来,它还有更多应用

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将来,这种时代可能会应用于更多限制,比如:软体机器东谈主制造出更天真、更智能的机器东谈主,用于调停、医疗等限制;智能传感器开拓出能阐发环境光自动调度的设立;仿生设立诡计出像当然界生物同样通顺的机械安设等等。

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从叶脉到超结构沟槽,从植物到机器东谈主,这项筹商让咱们看到了科技与当然的奇妙集合。跟着这项时代的进一步发展,将来大致咱们会看到更多像叶子同样眇小、像动物同样天果然机器东谈主出当前咱们的生计中。

参考文件

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[ 1 ] Li X, Du Y, Xiao C, et al. Tendril ‐ Inspired Programmable Liquid Metal Photothermal Actuators for Soft Robots [ J ] . Advanced Functional Materials, 2023, 34 ( 4 ) : 2310380.

[ 2 ] Li X, Du Y, Pan X, et al. Leaf Vein ‐ Inspired Programmable Superstructure Liquid Metal Photothermal Actuator for Soft Robots [ J ] . Advanced Materials, 2025: 2416991.

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经营制作

出品丨科普中国

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作家丨李宵飞 中国科学院合肥物资科学筹商院固体物理筹商所

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监制丨中国科普博览

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责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林

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