浙江大学郑强教授、吴子良教授最新AM！

水凝胶环致动器利用米歇尔不稳定性实现快速变形在自然界中，屈曲、折叠和快速翻转等机械不稳定性被生物体广泛利用来实现快速运动和变形，例如捕蝇草叶子的闭合。米歇尔不稳定性是一种经典的机械不稳定性。当弹性环的预扭转超过临界值时，该环将迅速从平坦或马鞍形变为8字形结构。尽管这种不稳定性在DNA分子和植物器官中发挥着重要作用，但在软执行器的设计中却很少使用，主要是因为动态控制环路的预扭曲比较困难。近日，浙江大学郑强教授、吴自良教授和南方科技大学洪伟教授合作，成功开发了一种基于水凝胶的环形致动器，该致动器能够利用刺激触发快速变形胶束不稳定。当暴露于热或光时，执行器可以快速从鞍形配置变为 8 字形配置。该研究通过实验和模拟揭示了这一机制：刺激会导致具有各向异性结构的水凝胶弦的弯曲和扭转刚度发生变化，从而减少触发米歇尔不稳定性所需的临界扭转量。该设计为开发快速响应、大变形能力的软机械提供了新思路。相关论文题为“Michell's-Instability-Mediated Rapid Configuration of Hydrogel-based Ring Actuators”，发表于Advanced Materials 研究团队首先制备了具有各向异性结构的水凝胶线。纳米片通过剪切被迫在凝胶中排列，并伴随着金纳米粒子，赋予它们光热响应。当暴露于热或光时，水凝胶会发生快速等容变形，并且其扭转其刚度显着增加，而弯曲刚度仅增加，从而增加了扭转与弯曲刚度的比值（kt/kb），为触发不稳定创造了条件。图1显示了米歇尔不稳定性的触发机制。传统的做法是通过增加预扭力来诱发失稳（图1A），而本研究通过外部刺激降低扭力临界值，让原本稳定的环在预设扭力下快速重建（图1B）。这种机制使得水凝胶环能够响应刺激而快速从鞍形变为八字形，并在刺激移除后保持新的构型。 图 1 a) 人为增加预扭力引发的米歇尔不稳定性。随着预扭曲的增加，环从大致平坦的马鞍形状转变为八字形配置。 b) 各向异性凝胶环在外部条件下引起米歇尔不稳定性刺激，降低预设扭力下的扭力临界值。图2进一步揭示了水凝胶在刺激下的尺寸变化和机械性能。实验表明，凝胶在加热的第一阶段发生快速等容变形，直径扩大，长度收缩，而体积保持不变。同时，其扭转刚度显着提高，其弯曲刚度随温度变化较小，导致KT/KB比值增大，这是引发失稳的关键因素。 图2a、b）通过剪切流诱导纳米片排列合成各向异性凝胶的示意图。 c) 各向异性凝胶在 38 °C 水浴中的尺寸和体积随时间的变化。 d，e）不同纳米片含量和温度下凝胶的曲线-扭转曲线和扭转刚度。 F, g) 不同条件下的拉伸应力-应变曲线和弯曲刚度租金条件。 h) 凝胶的 KT/KB 比值与纳米片含量的函数关系。图3研究了不同预扭力下环的构型和稳定性。当预扭达到4π时，环呈现双稳态特性，可以在鞍形和“8”形之间切换。扭矩角曲线和能量图显示存在两个局部能量最小值，进一步证实了其行为。 图3 a、b）不同预扭转下凝胶环的变形和能量密度分布的图像和模拟。 c) 凝胶环的归一化面外位移作为预扭曲的函数。 d）通过外部金属化项链E将凝胶环从鞍形转变为8字形的示意图，f）环致动器扭矩和能量随扭转角变化的曲线。图4记录了热或光触发下环的快速重塑过程。在38℃水浴或520nm光下，环发生Mi冷冻不稳定数秒，并伴有高速旋转，最高旋转速度可达220°/s。光强度越高，触发所需的时间越短，转速也相应增加。仿真结果进一步表明，失稳时的KT/KB比值与实验数据一致。 图 4 a、b）在加热和光照下引发米歇尔不稳定性的凝胶环的连续图像。 c) 环形致动器α的旋转角度示意图。 d) 旋转扰动随照明时间的变化。 e) 光强度对触发不稳定所需时间的影响。 f) 模拟显示凝胶环在加热过程中的应变能密度分布。 g) 弯曲比和扭转能作为温度的函数。 h) 能量变化会改变 KT/KB 比率。 i) 由图8所示的回位环通过外部扭矩变为鞍形的示意图。 j, k) t的变化恢复过程中扭矩和能量随扭转角的变化。图 5 探讨了环尺寸和预扭转对不稳定性的影响。当环的长径比L/D≥15时，临界扭转值趋于稳定，这主要由材料的刚度比决定。具有不同预扭曲特性的环在刺激后表现出不同的稳定性行为，进一步验证了能垒对构型维持的影响。 图 5. 不同环的配置及其在不同条件下的关系。 a) 不同纵横比和预扭力下环执行器的配置相图。 B,c)在加热和外力作用下，环的构型变化为4π和3.5π。图 6 说明了环在水环境中的各种应用。例如，光触发重建充当光学开关来照亮引领;快速旋转用于踢球；带动瓶盖旋转90°；多个环串联起来，实现协作的变化。形状和综合旋转。这些演示展示了它使用软机器人执行复杂任务的潜力。 图 6. 基于光照射下米歇尔不稳定性介导的环致动器重构开发的水凝胶装置。 a) 环形致动器充当光学开关来点亮 LED。 b) 环形致动器踢塑料球。 c) 执行器环旋转瓶盖。 d) 几个同手性环在扫描光下的顺序旋转。 e）两个手性环一起的协同不稳定和旋转。该研究成功地将米歇尔不稳定性引入软执行器的设计中，实现了水凝胶环的快速、大规模重构。未来，这一原理有望推广到其他响应材料，如液晶弹性体、o 进一步推进高性能软体机器人和智能驾驶系统的研发。 特别声明：本文由网易自媒体平台“网易号”作者上传发布，仅代表作者观点。网易仅提供信息发布平台。 注：以上内容（包括图片和视频，如有）由网易HAO用户上传发布，网易HAO为社交媒体平台，仅提供信息存储服务。