突跳(snapping)現(xiàn)象在自然和生活中屢見不鮮,例如捕蠅草、跳跳球等。然而,一般來說,常見的突跳現(xiàn)象都需要不斷地靠外界的刺激或者條件變化來實現(xiàn)。比如,電源開關的突跳需要用手指進行撥動。手指每撥動一次,開關就會突跳一次。手指不撥動的時候,突跳也就不會發(fā)生。最近,來自美國北卡州立大學尹杰團隊的研究者們研發(fā)了一種由液晶彈性體做成的圓環(huán)。在光照或熱響應下,該圓環(huán)可以實現(xiàn)自我持續(xù)不斷的突跳來翻轉圓環(huán),也可以自發(fā)爬行穿越狹縫。
近日,該工作以“Self-sustained snapping drives autonomous dancing and motion in free-standing wavy rings”為題發(fā)表在“Advanced Materials”雜志上。文章的通訊作者是北卡州立大學機械航空系副教授尹杰。第一作者是北卡州立大學博士后趙耀。共同作者包括北卡州立大學博士生洪堯燁、漆方杰、赤銀鼎以及北卡州立大學機械航空系副教授蘇浩。


圖1:液晶彈性體圓環(huán)在熱表面和紅外光照射下原地連續(xù)翻轉突跳

圖2:不對稱環(huán)形軟機器人可以實現(xiàn)“前輪”驅動(熱表面)和“后輪”驅動(紅外燈下)的自主爬行,也可以負載一定的重量

圖3:不對稱環(huán)形軟機器人可在淺水和深水里自發(fā)爬行,但淺水中爬行速度更快

圖4:不對稱環(huán)形軟機器人可自發(fā)穿越狹縫空間或避開更加狹窄縫隙
近日,該工作以“Self-sustained snapping drives autonomous dancing and motion in free-standing wavy rings”為題發(fā)表在“Advanced Materials”雜志上。文章的通訊作者是北卡州立大學機械航空系副教授尹杰。第一作者是北卡州立大學博士后趙耀。共同作者包括北卡州立大學博士生洪堯燁、漆方杰、赤銀鼎以及北卡州立大學機械航空系副教授蘇浩。

研究者發(fā)現(xiàn),該圓環(huán)在受到合適的溫度梯度的作用下,會持續(xù)不斷的在原地進行突跳(圖1)。這種突跳和之前列舉的突跳不同的是,盡管外界條件(熱梯度)沒有變化,但此圓環(huán)依舊可以把自我維持突跳。實現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于特殊材料性能(液晶彈性體的形狀記憶性能)和特殊結構(波狀的圓周)共同作用。當圓環(huán)置放在加熱臺上時,會形成一個自下而上的溫度梯度,使得圓環(huán)會進行由內向外的翻轉突跳。當用紅外燈從圓環(huán)上方加熱時,溫度梯度變?yōu)樽陨隙?,圓環(huán)也相應變?yōu)橛赏庀騼鹊姆D突跳。這些持續(xù)的突跳就像是圓環(huán)在翩翩起舞。

圖1:液晶彈性體圓環(huán)在熱表面和紅外光照射下原地連續(xù)翻轉突跳
當圓環(huán)的對稱性被打破的時候,環(huán)形軟機器人會傾向于沿設定的對稱軸方向爬行(圖2)。隨著對稱性的進一步降低,圓環(huán)的爬行速度也隨之上升。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是幾何的不對稱性會導致圓環(huán)在各個部位的摩擦力產(chǎn)生巨大差異,從而最終導致了爬行現(xiàn)象。此外,由于人為引入的不對稱性,突跳的姿態(tài)也發(fā)生了改變。有意思的是,這種爬行也不需要外界條件的改變,也是一種可以自我維持的行為。爬行模態(tài)類似與汽車的前驅和后驅,在熱表面上,爬行為“前輪”驅動,拉動后面往前走,而在紅外燈下,爬行由“后輪”驅動推動整個圓環(huán)向前進。研究者也展示了利用狗拉雪橇的方式來承載一定輕量的物體爬行。

圖2:不對稱環(huán)形軟機器人可以實現(xiàn)“前輪”驅動(熱表面)和“后輪”驅動(紅外燈下)的自主爬行,也可以負載一定的重量
研究者們進一步發(fā)現(xiàn),這種環(huán)狀軟機器人甚至可以在滾燙的熱水中爬行(圖3)。爬行的速度和水位的高度有關。圓環(huán)部分沒入熱水的爬行速度遠大于圓圈整體沒入水中的爬行速度。這主要是由于前者的熱梯度要遠大于后者導致的。

圖3:不對稱環(huán)形軟機器人可在淺水和深水里自發(fā)爬行,但淺水中爬行速度更快
此外,這種環(huán)狀軟機器人還可以穿過狹小縫隙(圖4)。研究者們發(fā)現(xiàn),當其遇到狹小縫隙時,可以通過與周圍環(huán)境的接觸互動,自我調節(jié)爬行姿態(tài)與身體形狀來通過縫隙??身樌ㄟ^的縫隙最窄寬度大約是圓圈寬度的68%。當縫隙寬度進一步下降時,雖然無法穿過,但會經(jīng)過一系列自我調節(jié)進行轉向,最終避開狹小縫隙,從而防止被卡在縫隙。

圖4:不對稱環(huán)形軟機器人可自發(fā)穿越狹縫空間或避開更加狹窄縫隙
文章信息:Y.Zhao,Y.Hong,F.Qi,Y.Chi,S.Hao,J.Yin*,Self-sustained snapping drives autonomous dancing and motion in free-standing wavy rings,Adv.Mater.,202207372(2022)