3D打印仿生“麦芒”智能调控装置问世

  • 科学网 (兰州分院)
  • 创建于 2018-12-06
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  野生麦子如何钻进土壤,实现野外自适应播种?麦芒卡到嗓子里,为何越咳越深?这些看起来不起眼的现象背后,隐藏着尚未被认识的科学机制,即摩擦各向异性。中科院兰州化学物理研究所材料表面与界面行为研究组系统揭示了这些现象背后的科学机制,并据此研发了3D打印仿生“麦芒”智能调控装置。该成果日前发表于《微尺度》及《先进材料界面》杂志。

  论文通讯作者、中科院兰州化物所研究员王晓龙介绍说,科研人员观察野外采集的麦芒样本发现,麦芒上分布着许多坚硬倒刺。其摩擦学性能测试呈现出往复运动过程中摩擦系数随方向改变的特点,即摩擦各向异性特征。

  随后研究人员做了一个有意思的实验:他们将麦芒放入橡胶管内,当拉伸橡胶管时发现麦芒可在管内定向移动,且移动速度随着拉伸频率的加快而增大。受此启发,研究人员通过光固化3D打印技术,成功制造出仿麦芒模型体。

  同天然麦芒相比,人造麦芒上面的倒刺尺寸、排布密度和倾斜角度可自由调控,并能够很好地与被接触基底表面进行相互作用,实现摩擦各向异性的最大化。这为其在定向驱动和货物运输方面的应用提供了基础。实验表明,一个质量仅0.01克的3D打印仿麦芒模型体,可驱动质量高达120克的货物在克服水平摩擦力的条件下产生定向移动。

  为更深层次地认识仿麦芒定向迁移机制,中科院兰州化物所和英国帝国理工学院科研人员合作,采用棘轮模型从界面接触力学和摩擦学角度,对实验结果背后的科学机制进行了系统诠释,并建立了相应的数学模型。

  虽然实现了麦芒的仿生制造,但如何从被动走向主动、实现摩擦各向异性的动态调控始终困扰着研究人员。仿生麦芒上倒刺倾斜角度是死的,不能自由活动,这意味着定向迁移是不可逆的,制备出的器件面临着易进难退的问题。

  针对这一问题,研究人员结合材料模量调控,设计构筑了基底强度和表面倒刺取向角度可动态调节的仿生表界面材料,初步实现了仿生取向结构表界面各向异性摩擦行为的智能调控。

  研究人员采用转移复制的方法,将3D打印得到的倒刺结构埋植于加了光热四氧化三铁纳米粒子的聚乳酸基底中。近红外照射下,光热四氧化三铁纳米粒子生热导致基底材料软化,其表面取向性倒刺在载荷动态作用下角度可原位发生改变,从而引起正反两个方向的摩擦力差异发生显著改变,实现了仿生表面各向异性摩擦行为的动态调控。

  这种光热响应的摩擦各向异性材料可被用作智能开关,实现物件在斜坡或垂直方向的可控释放。基于以上研究结果,研究人员正致力于开发一系列各向异性摩擦器件,未来将积极探索其在工程以及生物医疗领域的应用。

  相关论文信息:DOI:10.1002/smll.201802931 

  DOI:10.1002/admi.201801460 

责任编辑:黄巧