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基于形狀記憶聚合物的一種新型的 “萬(wàn)能抓手”策略

浙江大學(xué)航空航天學(xué)院宋吉舟教授團(tuán)隊(duì)，便基于形狀記憶聚合物，提出了一種新型的“萬(wàn)能抓手”策略。這個(gè)“萬(wàn)能抓手”的載體非常簡(jiǎn)單，就是一塊智能“塑料”。別瞧它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本領(lǐng)可不小，它可以把目標(biāo)物體“鎖”在體內(nèi)，輕松地抓取1微米到1米大小之間任何形狀的物體。目前這一研究成果已發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上，文章共同第一作者為浙江大學(xué)航空航天學(xué)院碩士生令狐昌鴻和博士生張順，通訊作者為浙江大學(xué)航空航天學(xué)院宋吉舟教授。宋吉舟教授團(tuán)隊(duì)的“萬(wàn)能抓手”何以做到“探囊取物”？靠的便是形狀記憶聚合物。形狀記憶聚合物是一種特殊的智能材料，論其特殊，就特殊在它的“逆來(lái)順受”：在外部刺激作用（如光、熱）控制下，形狀記憶聚合物可軟可硬，在受到一定的外力作用導(dǎo)致變形后，它就能保持這個(gè)變形后的形狀，可謂“順其自然”；然而在一定的外部刺激作用下，它又會(huì)變回原來(lái)的樣子。目前形狀記憶聚合物已經(jīng)被廣泛用于智能織物、電子包裝管的熱收縮膜、航空器太陽(yáng)能帆板展開(kāi)機(jī)構(gòu)、智能醫(yī)藥器件等領(lǐng)域。宋吉舟教授團(tuán)隊(duì)的新策略：第一步，就是抓取物體時(shí)，先在外部刺激作用下，讓形狀記憶聚合物變得柔軟，趁此機(jī)會(huì)將物體或者物體表面的結(jié)構(gòu)嵌入其中；第二步，去掉外部刺激，讓形狀記憶聚合物變回剛硬的狀態(tài)，保持住該變形的臨時(shí)形狀，將物體“鎖住”，從而把物體抓取起來(lái)；第三步，等把物體轉(zhuǎn)移到目的地之后，再次施加外部刺激，形狀記憶聚合物就會(huì)恢復(fù)初始形狀，將物體“解鎖”釋放。形狀記憶聚合物萬(wàn)能抓手抓取和釋放物體的流程示意圖形狀記憶聚合物這塊智能 “ 塑料 ” ，就好像是一把有魔力的萬(wàn)能鎖，能鎖住世間萬(wàn)物：為了獲取 “ 獵物 ” ，它先變成柔軟的橡皮泥，把物體柔柔地包住，然后變成堅(jiān)硬的石頭，把物體牢牢地鎖住，等把物體 “ 押送 ” 到目的地，又會(huì)重新變成軟軟的橡皮泥并釋放物體。宋吉舟教授介紹，這把 “ 萬(wàn)能鎖 ” 能在典型的三維結(jié)構(gòu)物體上產(chǎn)生很大的抓力，包括球體、方塊、管狀物體、螺栓、螺母、棗核、鑰匙串等；更厲害的是，它還能像壁虎一樣，粘附在物體表面，不論物體表面光滑還是粗糙。形狀記憶聚合物萬(wàn)能抓手對(duì)典型宏觀物體的抓力那么對(duì)于尺寸小的物體，這個(gè)抓手又是如何發(fā)揮功效的呢？當(dāng)物體尺寸小到微觀尺度（100微米左右或者更小），物體受到的表面力，特別是與抓手的粘附作用強(qiáng)，會(huì)給物體的釋放帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。在該設(shè)計(jì)中，抓手通過(guò)把物體或者物體表面的結(jié)構(gòu)鎖在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)抓取，不依賴抓手的粘附力，所以當(dāng)粘附力給物體釋放帶來(lái)挑戰(zhàn)時(shí)，就可以在抓手表面鍍上一層特殊材料，或者增加抓手表面粗糙度來(lái)減弱粘附，從而實(shí)現(xiàn)物體釋放。這樣，即使是75微米大小的不規(guī)則鐵顆?；蛘呤侵睆?0微米的二氧化硅球，也能順利從形狀記憶聚合物萬(wàn)能抓手上得到釋放。使用形狀記憶聚合物萬(wàn)能抓手操縱75 微米的不規(guī)則鐵顆粒和10微米直徑的二氧化硅球 “微觀抓手就像微觀世界里的吊車(chē)，可以用它在微觀世界里搭建‘建筑’，制作特殊的光電器件。”令狐昌鴻說(shuō)，“這個(gè)抓手在微觀視角下還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是一個(gè)抓手就是數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微觀吊車(chē)，可以高效地在微觀世界工作?！?談及具體應(yīng)用，宋吉舟教授表示，在柔性電子制備中，最重要的一步就是微觀元器件的快速組裝，即把制備基底上數(shù)以萬(wàn)計(jì)或者更多的維納元器件轉(zhuǎn)移到柔性的使用基底上。以往的方法都依靠粘附來(lái)一次性抓取這些元器件，但是釋放的時(shí)候粘附就變成了限制因素。而宋吉舟教授課題組提出的這個(gè)策略，完全不依賴粘附，為柔性電子的制備提供了一種新思路，有望推進(jìn)柔性電子的工業(yè)化進(jìn)程。使用形狀記憶聚合物萬(wàn)能抓手組裝柔性電子器件的簡(jiǎn)單展示該項(xiàng)目得到了國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等的支持。

浙江大學(xué) 2021-04-10

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