Разработка жидкокристаллических эластомеров для создания искусственных растений

Создание трубчатых мягких приводов с управляемыми и программируемыми преобразованиями формы очень востребовано для научных и инженерных приложений. Современные синтетические трубчатые приводы, использующие мягкие активные материалы, имеют ограниченные деформации сжатия и расширения и сильно ограниченные степени свободы, что препятствует их потенциальному использованию.

DOI: 10.1126/sciadv.adh3350

Исследователи используют жидкокристаллические эластомеры (LCE), тип интеллектуального активного материала, для разработки трубчатых мягких приводов. LCE могут подвергаться крупномасштабным обратимым деформациям и могут быть закодированы с помощью «инструкций морфинга». Это позволяет создавать компактные, программируемые, малогабаритные морфинговые устройства с широким спектром потенциальных инженерных применений.

Для вдохновения исследователи изучили самый впечатляющий трубчатый мягкий привод в природе — хобот слона. Без костей и суставов длинный хобот слона все еще может выполнять широкий спектр сложных задач, от дыхания и трубы до питья и душа, захвата предметов, подъема и манипулирования ими, а также артикуляции с беспрецедентной степенью свободы.

Мышечные волокна хобота слона многослойные, направленно расположены и наматываются вокруг длинной оси хобота, образуя трубчатую структуру.

Основываясь на мускулатуре хобота, исследователи разработали производственную платформу для намотки нити для создания спирально-искусственных волокнистых мышечных трубчатых мягких приводов (HAFMS-TSA). С помощью этих направленных схем они могли бы воспроизвести естественную концепцию и достичь программируемых деформаций в HAFMS-TSA. Исследователи также обнаружили критические углы намотки, которые позволяют разъединять и связывать различные типы деформаций, еще больше расширяя диапазон достижимых поведений морфинга.

Затем исследователи применили HAFMS-TSA для создания искусственного растения, способного выполнять все три категории движений фотоотклика, наблюдаемых у реальных растений: фототропные движения (ориентация на свет), фотофобные движения (ориентация в сторону от света) и фотонасатические движения (морфинг и ориентация на световое излучение, независимо от направления света).

Кроме того, заимствуя из наблюдений в природе, искусственное растение было разработано со светочувствительными органами, стеблями, ветвями и листьями со специфическими фотоответами. Нижний стебель оставался фотофобным, поддерживая поддержку верхних фототропных структур, изгибающихся к свету. Когда интенсивность света превышает заданный порог, ветви и листья отворачиваются от света через встроенную петлю обратной связи, которая обеспечивает эффективный механизм самозащиты.

Адаптивные и автономные трубчатые морфинговые структуры, которые реагируют на изменяющиеся радиационные среды, могут иметь применение в сборе солнечной энергии, солнечных парусах для космических станций, зондов или спутников, саморегулирующих оптических устройствах, терморегулирующих зданиях или в качестве комнатного растения, которое никогда не нуждается в поливе и иногда может дать вам арахис.

Подробнее:

Zhiming Hu et al, Bioinspired helical-artificial fibrous muscle structured tubular soft actuators, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh3350 🔗