华中大丁汉院士、吴志刚教授团队 ACS AMI: 电子竞争合作机理调控得到梯度多孔弹性体

2022-11-02 来源：高分子科技

面对复杂/非结构化的应用场景，软体机器人有必要配备智能化的机械结构，例如具有可编程形态和各向异性实时响应的结构感知一体化本体。多介质得益于其内部丰富的孔隙分布，可以集成承载多种功能单元，有望作为机器人结构感知一体化界面和本体。但是当前多孔介质中，孔的大小多是从纳米级到微米级且孔的分布是随机的，从整体上看是各向同性的，不仅大大降低了与外界交互时的各向异性，而且也难以胜任毫米甚至厘米尺度的软体机器人作业。因此，对于软体机器人常用的弹性体如硅橡胶，亟需开发一种结构与传感一体化的各向异性本体的可控制备手段。

近期，华中科技大学机械学院丁汉院士与吴志刚教授团队发现了基于元素Ga、N与Pt之间的电子竞争关系，并用于调控梯度分布多相混合物（液态金属galinstan+NH₄HCO₃+硅橡胶PDMS）在高温加热下（120°C）热分解产生的气泡的行为，实现重力方向的孔径梯度分布（从800 μm到3.2 mm）的内部互相连通的梯度多孔结构（Gradient Porous Structure, GPS）（如图1）。该团队从分子反应至宏观结构层面探究并分析了电子竞争与合作的机理与梯度多孔的成型过程（图2）；提出了通过改变液态金属、NH₄HCO₃的用量对孔的大小和梯度分布的调控手段，并对相应机械性能进行了表征（图3）；提出了对孔内表面进行功能层集成的涂覆技术，并对GPS的电学和力学性能进行调控与表征（图4）；基于此，制备了一个具有超宽传感检测范围（从135Pa到2.3MPa）的动态触觉识别界面（图5）与结构感知一体化的GPS仿生象鼻子抓手（图6）。

图1 梯度多孔结构机理、性能与应用的概念总览

图2 梯度多孔结构构造过程与电子竞争合作机理

图3 机械性能调控与表征

图4 功能层构造表征与重构

图5 多刚度物体识别的GPS界面

图6 线驱仿生各向异性一体化多孔象鼻子

此工作不仅为软体机器人本体结构传感一体化提供了新的材料与制造思路，而且也拓展了液态金属在催化调控领域的作用。该工作以“Partial Liquid Alloy Microdroplet Sedimentation Induced a Gradient Porous Structured Elastomer with a Tunable Property for an Anisotropic Robotic Bulk”为题被选为封面发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。共同第一作者是博士后张硕与博士生宗子盛，通讯作者为博士后张硕与吴志刚教授。该研究得到国家自然科学基金委（52188102 和U1613204）和中国博士后科学基金（2021M701311和BX20220126）的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12384

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（责任编辑：xu）

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