通訊單位：University of Massachusetts, Amherst, MA, USA

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00909-w

研究背景

在自然界中，卡扣式屈曲機制通常用於將動力放大的過程。雖然在自然界（如烏頭菌和丁香）中該過程可以自動重置其卡扣式屈曲結構，但受生物啟發而開發的類似物質則需要外部干預才能發生連續的卡扣式屈曲過程動作。

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本文報告了基於自重複、卡扣式聚合物跳躍裝置的設計原理。該原理是利用聚合物凝膠乾燥過程中的瞬時形狀變化來產生機械約束和內部驅動力，從而實現快速屈曲的動作。並且，卡扣式屈曲過程動作引起的形狀變化會改變其與環境的互動作用，因此可以實現多個自重複的卡扣式屈曲事件。透過控制實驗和數值建模可以瞭解這一過程的潛在的機制。利用這些原理，本文建立了具有高功率輸出（比功率≈312 W kg-1）和高效能跳躍生物和工程機器人相似的瞬態感應的跳躍裝置。這些結果證明了自主的、自動重複的高速運動的可能性，這標誌著環境能量收集、大功率運動裝置的發展取得了重要進展，這對微型機器人和一些裝置至關重要。

圖文解析

▲圖1 | 重複膨脹的PDMS帶材的快速折曲過渡示意圖。

要點：

● 延時影象（時間間隔= 0.125s）顯示了在隨後的兩個卡扣式屈曲過程中屈曲模式的變化（2→3→2）（圖a）。

● 根據觀察到的最大速度將尖端的平均線速度的頻率分佈分為十個區域。一個端點的平均速度為21 mm s-1。尖端時間約佔總時間的20％，是平均速度的十倍以上（圖d）。

▲圖2 | 外部彎曲的PDMS條帶的自動咬合運動示意圖。

▲圖3 | 從平盤瞬時形成球形殼的示意圖。

要點：

跳動的原理：

1. 從PDMS片上鐳射切割出圓盤，並且在中心區域（Rcore / R0 ＝ 0.7）中鐳射雕刻出圓形凹槽圖案；

2. 然後利用溶劑（正己烷）將圓盤溶脹至完全平衡的平坦幾何形狀；

3. 然後將膨脹的圓盤乾燥指定的時間（t prep），使開槽的一面朝向基材，在t prep期間，由於沿厚度方向（ε槽>ε無槽）以及沿徑向方向（ε核心>ε環）的快速消脹應變的演變，圓盤快速變形為球形殼（圖a左一和左二）。

▲圖4 | 球形殼在基板上跳躍的動態效能的詳細資訊。

▲圖5 | 在不同的初始溶脹條件下製備的球形殼（R0 = 5 mm，h0 = 0.6 mm）的跳躍動力效能指標。

要點：

● 實際系統的輸出能量（陰影欄）是根據彈跳過程中殼體的勢能變化計算得出的。使用有限元分析獲得的建模結果（陰影線列）與實驗資料進行了比較。隨著橫向約束變大，輸出能量增加，達到最大值後，由於系統中可用溶劑的消耗，輸出能量逐漸降低。（圖b）

▲圖6 | 自主的卡扣式屈曲過程機制在執行更高級別任務中的應用。

要點：

● 一個卡扣殼沿著傾斜的基板（角度≈6°）下降，展示了一種將垂直位移轉換為水平位移的策略（圖a） 。

● 另一種是克服系統性能限制的策略。利用可重複跳躍的能力，克服了彈殼彈跳高度（約85 mm）的潛在限制。

小結

本文介紹了製造自主控制、功率放大聚合物凝膠器件的設計原理。利用聚合物凝膠去膨脹過程中發生的亞穩結構和不對稱轉化路徑來產生重複的、高速的多個自主跳躍事件。此處的原理為利用可設計的快速連線結構和內部驅動的動態驅動力變化分析（例如環境介導的溶劑蒸發）提供了基礎，用以開發可重複的運動部件。儘管已證明的多達15個自動重複事件的能力是一個令人驚喜的進步，但未來的設計可能會提供內部熱能管理的途徑，從而影響蒸發和冷凝速率，進而允許更多的自動重複事件。可以將這些概念擴充套件到具有其他內部動態驅動力的材料中，例如熱控制相變或離子電荷再分佈，從而擴大這些理論的使用範圍。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00909-w