Nature Materials：零消耗的光纖自動化

尚志者王 5年前 (2018-05-05) 3426瀏覽

【引言】

響應材料已廣泛應用于生成具有內置復雜幾何結構的線性致動器和微型鑿子。研究結果表明，復雜的、功能齊全的機器只能由變形材料組成。 盡管如此，要在這些材料中完成旋轉運動仍然依賴于傳統的輪軸和軸圖形。 本文中探索了幾何零能量模式下，以在沒有圍繞軸行進的剛性輪的情況下引發彈性材料中的旋轉運動。研究表明，預應變聚合物纖維封閉成環時，由于旋轉對稱性破壞桿周圍產生彈性變形，當放置在兩個熱浴之間時，呈現自動致動和連續運動。 此結果構建了一個簡單但強大的模型，可用于在機械預應變物體中創建主動運動。

【成果簡介】

響應光、熱、電或滲透應力的智能材料可作為簡單的線性致動器進行操作。然而，傳統機械機器的概念似乎更加豐富，并且可以進行更多的可逆運動。要構建真正復雜的連續性機器，不可避免地需要超越材料本身屬性并進行反思樣品幾何形狀、拓撲和對稱性。凝聚態物理學的一個原理是，只要系統的連續對稱性被破壞，就會出現零波數、零頻率的“流體動力學”模式。經典實例是液晶中的向列相和XY模型21中的有序自旋相，其中旋轉對稱被優選的導向或自旋取向破壞。由于沒有能量成本來共同旋轉分子或自旋，所以相應的長波長畸變成為系統中的新的流體動力學變量。近日，海德堡大學的Igor M. Kuli? 和 Falko Ziebert 研究員（共同通訊）在Nature Mater.上發表了一篇題為“Motorizing fibres with geometric zero-energy modes”的文章。本文對于彈性固體提出了一個模型，稱為“嵌入式車輪”，它可以將軟電機生成為響應材料，在承受內部機械預應力的物體中誘導和主動驅動連續彈性模式。
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【圖文導讀】
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圖1 球狀ZeeMs預拉伸彈性物體
a）將彈性桿封閉成圓形環路會引起內部的壓縮應變（實線）和外部的拉伸應變（虛線）；
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b）彈性環面現在具有變形模式，其能量和外部形式保持不變；
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c）各種其他彈性物體，如莫比烏斯帶和邊緣皺折的圓盤，都擁有球狀ZEEMs。
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圖2 自組織驅動ZeeMs
a）由彎曲引起的應變；
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b）當放置在熱表面和環境空氣中，沿z方向（垂直于平面）產生溫度梯度，并在其中產生熱預應變方向；
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c）幾何強加的和熱驅動的應變（a和b）的不相容導致動態不穩定性 - 環面開始以恒定的角頻率ω轉動。 旋轉的方向取決于熱膨脹系數的符號（草圖案例顯示了一個負熱膨脹，如尼龍）；
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d）在熱板（175°C）上封閉成環狀（半徑2厘米，纖維厚度0.6毫米）的PDMS纖維變得堅固單向電機；
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e）用小黃銅管將尼龍纖維封閉成環（半徑6厘米），反方向旋轉；
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f）各種尺寸的尼龍環（纖維厚度0.6毫米）作為板溫角頻率的函數。
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圖3?螺旋光纖電機
a）尼龍纖維被鋁架固定在螺旋路徑上。 在加熱板時，整個光纖旋轉圍繞其切線，執行工作和/或存儲扭轉能量；
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b）在185℃旋轉的螺旋電機（纖維厚度0.8mm，總螺旋長度3.2m）提升有效載荷（重量為20克的艾菲爾鐵塔復制品）， 纖維從螺旋支架通過兩個黃銅管引導并在那里自由旋轉；
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c）螺旋纖維電池'的充電。 插圖：螺旋圈數與時間的函數關系各種長度在一端被嚴格阻塞。
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d）在c中研究的螺旋的失速轉矩作為螺旋長度的函數，其顯示線性縮放。
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圖4?線性纖維的自發對稱破碎和自推進
a）尼龍-6棒（直徑0.6mm，長度12cm）的滾動運動；
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b）和PDMS棒（直徑3mm，長度11cm）的滾動運動；
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c）熱量梯度通過熱膨脹和/或收縮引起彎曲。該溫度很熱（紅色）或冷（藍色）。 由于禁閉（在板）彎曲保持在平面內，這有效地產生扭矩；
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d）轉矩的方向和軋制速度取決于標志材料的熱膨脹系數。
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圖5 纖維旋轉和滾動
a）半徑為0.3mm的尼龍-6纖維的作為溫度函數的熱誘導曲率；
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b）滾動速度（與a中的纖維相同）。在第一個溫度循環（紅線）過程中，光纖經歷退火過程并變??得有條件（“受過訓練”）。
在隨后的降溫/升溫循環中，纖維達到可重現的速度（藍/綠曲線）；
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c）單纖維是雙向的在這里顯示的實驗中，能夠執行工作的馬達單元在傾斜的平面上抵抗它們自身的重量。顯示角度轉向頻率的尼龍-6纖維（0.2mm半徑）作為在兩個不同溫度（紅色，180℃;藍色，140℃）下的軸向扭矩的函數。實線適合
理論預測扭矩 - 速度關系（補充方法）；
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d）半徑減小的光纖隨著角頻率的增加而旋轉：兩個溫度的實驗數據和γ= 0.75的冪律擬合R-γ。
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【小結】
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本文提出了一個名為“材料內的輪子”的概念，并用普通聚合物纖維證明了它的實際可行性。由于材料中出現動態沮喪，驅動離開平衡時，環形，螺旋和甚至線性光纖變成堅固的單件式電機。材料中的ZEEM是無處不在的，產生動力以驅動它們非常簡單。基本模型表明，許多其他驅動機制應該可能導致輪換；實際上，這里與熱通量相關的能量泵送速率（p）可以被垂直于平面的任何通量和與應變的耦合所替代。現在可以放棄古老車輪和車軸，并利用內在ZEEMs的洞察力為軟機器打開了新視角。采用普通塑料、橡膠和淀粉制造的ZEEM電機需要重新考慮智能材料的意義，并將關注點從微觀材料特性轉向對稱和拓撲結構。通過它們，這些材料獲得了集體智能，不存在于其各自的部分中，而是以其微妙的相互作用進行整個球體的編碼。
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文獻鏈接：Motorizing fibres with geometric zero-energy modes（Nature Mater.，2018，DOI:10.1038/s41563-018-0062-0）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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