影响呼应性驱动器是一种将环境改变的能量转化成机械动能的设备,用于操控唆使物体进行各种预订动作。其在柔性机器人、传感器、能量转化等范畴展示出广泛的潜在使用,因而遭到了人们的广泛重视。
在这方面,咱们应该向大自然学习——大自然经过数亿年的进化,已孕育出许多具有共同的呼应性运动特色的植物或安排。比方,捕蝇草和含羞草在遭到触碰时会快速闭合叶子来捕食昆虫或逃避捕食者;茅膏菜经过变形包裹住捕捉到的昆虫以进一步消化;复生草在干旱条件下蜷缩包裹自己以削减水分丢失;跳舞草会跟着音乐摇动等。其实,一些凋亡的植物安排也具有呼应性运动的特色,其主要是依托共同结构和组成完成对环境的呼应,如松塔的鳞片、蒲公英的冠毛、豆荚、麦芒、冰叶日中花的种皮等。这些植物原型为人工驱动器的规划和制备供给了创意和物理模型,是构筑新式功能性人工驱动器的有效途径。
对植物原型的了解是一个较为绵长的进程,且随研讨视角和科技的前进而逐步深化。松塔是最具代表性的植物原型之一,相关研讨也已继续了一个多世纪。曩昔一个多世纪的研讨工作大多散布在在松塔的运动机制探究,即为何会动,但对松塔的运动进程和特色缺少重视。其实,松子需要在较长时间的枯燥环境中才能够被传播到远离母树的当地进行繁殖,因而松塔鳞片运动的速度是很慢的,以保证在其恰当的机遇打开。松塔的这种湿度呼应的运动机制一向被归因于鳞片外层的“肉”(石细胞)和内层的“筋”(维管束)上纳米纤维摆放方向差异形成的吸湿胀大差异,但现在的机制并不能解说其运动特色,而且无法解说其内层维管束能够独立运动的原因。松塔的超慢湿度呼应机制现在仍然是不清楚的,探究其背面的机理将会为构建新式超慢运动驱动器供给新的思路。
带着这些疑问,科研人员从头审视了松塔的吸湿运动,对其运动进程和微观结构能够进行深化具体地调查,并对其机理进行了详尽研讨,终究提醒了松塔超慢运动的原理,完善了对松塔运动的传统认知。
研讨发现,比较于其他运动型植物安排,松塔鳞片展示出最慢的运动速度,且坚持大的形变量。将鳞片解剖后别离调查发现,内层的维管束具有快的运动速度和大的形变量,而外层的石细胞安排吸水量大、保水性好、运动速度慢且形变量小。比照得出,松塔鳞片的慢速运动是由维管束驱动的,而保水性好的石细胞安排减缓其运动。
经过对维管束的微观结构进一步调查发现,维管束是由平行摆放的绷簧状微管和方形微管组成。这两种微管构成了典型的异质结构,其间,绷簧状微管集合在鳞片外侧方向,方形微管散布在鳞片内侧方向。原位动态剖析显现,绷簧状微管展示出更显着的吸湿伸长行为,使得在环境湿度升高时维管束向方形微管一侧曲折。
受此启示,研讨人员使用双组份3D打印技能制备了由绷簧状管和方形管构成的异质结构的根本单元,并在管中填充吸湿聚合物,以仿照鳞片中的“肉”来增大吸湿途径,成功制备了具有相似松塔吸湿运动的超慢运动的人工驱动设备,其运动速度比已报导的湿度呼应驱动器低两个数量级,整个运动进程难以发觉。这种具有极慢动作的驱动设备有可能为假装和侦查设备的构建供给新的思路。
向大自然学习是人类文明前进的重要办法,在大自然中有所发现,在认知进程中有所创造,在使用中有所创造,咱们才能够有所前进。