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科技日報記者 陳曦 通訊員 吳軍輝
曬曬太陽就能振動，光照不停、振動不止。省去光電轉化環(huán)節(jié)，直接將太陽能轉化為穩(wěn)定、持續(xù)的機械能，一直停留在人們的想象之中。日前，南開大學劉遵峰教授、陳永勝教授和中國藥科大學周湘副教授團隊共同設計出一種基于多孔薄膜的自振蕩“太陽能人工肌肉驅動器”，并探索了作為發(fā)動機的應用，開發(fā)出“太陽能人工肌肉發(fā)動機”，為人類高效利用太陽能開辟一條新路徑。介紹該研究工作的論文日前發(fā)表于國際知名學術期刊《自然·通訊》上。
基于多孔薄膜的自振蕩“太陽能人工肌肉發(fā)動機”原理示意圖。
據(jù)介紹，驅動器是一種在外界環(huán)境刺激下產(chǎn)生機械變形，并將光能、熱能、化學能等各種環(huán)境能量轉換為機械能，從而產(chǎn)生驅動力的硬件，也是微機電系統(tǒng)、光發(fā)動機等應用場景中不可或缺的核心部件。研發(fā)一種自發(fā)且持續(xù)實現(xiàn)能量轉化的軟體驅動器是該領域的關鍵難點之一。
“自振蕩是生物有機體的一個重要特性，比如心臟跳動、細胞循環(huán)等，為設計連續(xù)運動的軟體機器人及自主智能裝置提供了方向?！眲⒆穹褰榻B，目前已有科研團隊成功構建了光響應自振蕩驅動器，然而，在太陽光等散射光刺激下發(fā)生自振蕩運動并用于機械做功始終沒能實現(xiàn)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物薄膜中的溶劑蒸發(fā)會導致體積收縮且光照射薄膜一側會加速薄膜內部溶劑蒸發(fā)，導致各向異性體積收縮，從而產(chǎn)生向光彎曲?！皩嶒炞C明，在薄膜中引入多孔結構可以有效促進溶劑分子的質量傳遞，從而導致薄膜材料發(fā)生更快的彎曲速度和更大的彎曲幅度。因此，我們認為，基于多孔薄膜的光誘導溶劑蒸發(fā)可能是實現(xiàn)自振蕩驅動的良好候選者?！眲⒆穹逭f。
在上述研究的基礎上，這支聯(lián)合研究團隊最終設計研發(fā)出基于太陽光的自振蕩驅動薄膜。它主要通過光熱衍生的溶劑蒸發(fā)引起的聚丙烯/炭黑聚合物薄膜兩側的交替體積減小實現(xiàn)振動。聚合物薄膜中的各向異性溶劑蒸發(fā)和快速梯度擴散在發(fā)散光的照射下維持振蕩彎曲驅動。
據(jù)介紹，該工作首次實現(xiàn)了在包括太陽光、紅外光和模擬太陽光等發(fā)散光下的自振蕩驅動，也實現(xiàn)了在不同發(fā)散光照射角度下的自振蕩運動。這種光響應自振蕩驅動器具有優(yōu)異的振蕩做功性能、出色的負載能力（可負載4倍于自身重量的物體）和較高的能量轉換效率（0.9%），并在溶劑不斷供應的情況下保持持續(xù)振蕩運動，不會停止。
“這項工作為‘太陽能發(fā)動機’提供了一種全新的設計策略，有助于自驅動設備的研發(fā)，并將促進其他領域跨學科交叉，助力智能材料、柔性器件等智能設備領域的快速發(fā)展?！标愑绖僬f。
（南開大學供圖）
關鍵詞： 人工肌肉
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