Small：具有本体感受功能的电热驱动器

肌肉组织中的肌肉纤维和本体感受器能够实现动作和感知，在肌肉运动过程中，本体感受器能够识别肌肉张力和压力的变化，感受关节伸展程度，使动物准确的判断肌肉的动作。使用激光诱导石墨烯（LIG）作为电热驱动材料和压阻功能材料，基于肌肉组织功能仿生设计开发了具有本体感受功能人工软体驱动器，这将为智能仿生软体机器人的发展提供助力。

图1.仿生自感知LIG驱动器设计示意图：肌梭和腱梭作为本体感受器作，感知肌肉的松弛和收缩。LIG功能材料兼具驱动和传感性能，通过其电阻变化反演构型变化。

北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗副教授团队，在课题组前期柔性传感器与驱动器的研究基础上，通过优化LIG驱动器的结构与制备参数，开发了具有本体感受功能的LIG电热驱动器。通过驱动器单元的组合，可以实现1D-2D，2D-3D及3D-3D等不同维度结构的重构；利用LIG的压阻特性，通过监测构型重构过程中的功能层电阻变化，结合构型反演算法，实现了结构构型的连续动态监测与反演。

图2. 基于自感知LIG单元组成的具有不同维度变形模式的驱动器结构。

通过仿生结构设计与力学优化，开发了包括对百合、捕蝇草、黄海棠和藤蔓的仿生柔性驱动结构，并实现了各类结构构型的重构与反演，验证了本研究方法的有效性。

图3.仿生自百合、捕蝇草、黄海棠和藤蔓的自感知LIG驱动器。

具有本体感受功能的柔性驱动器件，能胜任在能见度低的环境中，通过驱动自感知特性为操作者提供辅助，了解其实时工作状态，在相当程度上摆脱了对光学相机类设备的依赖。此外基于电信号采集的自感知器件，在某些低电源负载、低数据带宽条件下的应用也具有显著的优势。文中展示了基于自感知LIG驱动器开发的电磁屏蔽斗篷、柔性夹爪等器件，通过对其不同变形状态下的构型重构，可以按需控制斗篷的开合或感知抓取物体的尺寸。

图4.LIG自感知驱动器的应用。a)可开合电磁屏蔽斗篷；b)自感知夹爪抓取不同尺寸的物体。

相关研究成果近期以发表于Small期刊。北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗副教授为唯一通讯作者，博士研究生王昊为第一作者。

论文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202310612

课题组简介：

郭晓岗副教授课题组长期致力于航空航天智能材料与结构力学、柔性结构力学、柔性传感等领域研究，取得了一系列研究成果：提出了基于热应变失配原理的点阵网状型、剪纸型、仿生启发的零翘曲力学可调控结构设计新概念，实现了结构的热致剪切（国际首次）、热致旋转与高热尺寸稳定特性；建立了基于有限离散应变数据的位移重构理论，实现了对弯曲/弯扭耦合等三维力学变形的高精度反演；提出了更具物理含义的高斯函数相变理论模型，建立了精准预测智能结构多模式响应的大变形理论模型，发展了热力耦合场下三维结构力学组装与构型智能调控方法。部分成果已经被北京空间飞行器总体设计部、北京卫星制造厂有限公司、中国空间技术研究院理化检测中心采纳，支撑了两款关键型号航天器的研制工作。自2016年以来，相关成果以第一作者（含共同）与通讯作者身份发表于Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small、npj Flexible Electronics、ACS Applied Materials & Interfaces、NPG Asia Materials、Composite Science and Technology、International Journal of Solids and Structures等期刊。

期待有力学、微电子、机器人等学科背景的本科生、硕士生加入课题组。相关研究信息详见课题组主页：http://www.xiaogangguo.com/.

转自：“知社学术圈”微信公众号

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