Team opfinder verdens første nikkelhydroxidaktiverende materiale, der kan udløses af både lys og elektricitet

I løbet af de sidste 30 år, forskere har studeret aktiveringsmaterialer, der reversibelt kan ændre deres volumen under forskellige stimuli for at udvikle mikro- og biomimetiske robotter, kunstige muskler og medicinsk udstyr.

Et maskiningeniørhold ledet af professor Alfonso Ngan Hing-wan, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab, og Kingboard professor i materialeteknik, Ingeniør Fakultet, University of Hong Kong (HKU) udgav en artikel i Videnskab robotik den 30. maj 2018 (EST), der introducerer et nyt aktiveringsmateriale - nikkelhydroxid-oxyhydroxid - der kan drives af synligt lys, elektricitet, og andre stimuli. Aktiveringen kan udløses øjeblikkeligt af synligt lys for at frembringe en hurtig deformation og udøve en kraft svarende til 3000 gange dens egen vægt. Materialeomkostningerne for en typisk aktuator er så lave som 4 HKD pr. cm2 og kan nemt fremstilles inden for tre timer.

Lysinducerede aktiveringsmaterialer er yderst ønskelige, fordi de muliggør trådløs drift af robotter. Imidlertid, meget få lysdrevne materialer er tilgængelige, og deres materiale- og produktionsomkostninger er høje, hindrer deres udvikling til faktiske anvendelser.

Udvikling af aktiveringsmaterialer blev identificeret som nr. 1 blandt de 10 store udfordringer Videnskab robotik . Forskning i aktiveringsmaterialer kan radikalt ændre konceptet for robotter, som nu hovedsageligt er motordrevne. Derfor, materialer, der kan aktiveres af trådløse stimuli, herunder en ændring i temperatur, fugtighed, magnetiske felter og lys er et af de vigtigste forskningsfokus i de senere år. I særdeleshed, et materiale, der kan aktiveres af synligt lys og producerer stærke, hurtig og stabil aktivering er aldrig blevet opnået. Det nye aktiveringsmaterialesystem, nikkelhydroxid-oxyhydroxid, der kan aktiveres af synligt lys ved relativt lav intensitet for at producere høj stress og hastighed, der kan sammenlignes med pattedyrs skeletmuskler, er blevet udviklet i denne forskning initieret af ingeniører i HKU.

Ud over dets egenskaber for aktivering af synligt lys, dette nye materialesystem kan også aktiveres af elektricitet til integration i eksisterende robotteknologi. Det er også lydhør over for ændringer i varme og fugtighed, så de potentielt kan anvendes i autonome maskiner, der udnytter disse små energiændringer i miljøet. Fordi hovedkomponenten er nikkel, materialeomkostningerne er lave.

Fremstillingen involverer kun elektroaflejring, hvilket er en simpel proces, og den nødvendige tid til fremstillingen er omkring tre timer. Derfor, materialet kan let skaleres op og fremstilles i industrien.

Det nyopfundne nikkelhydroxid-oxyhydroxid reagerer næsten øjeblikkeligt på lys og frembringer en kraft svarende til omkring 3000 gange dens egen vægt (Figur 1).

Når integreret i en veldesignet struktur, en "miniarm" lavet af to hængsler af aktiveringsmaterialer kan nemt løfte en genstand 50 gange dens vægt (Figur 2). Tilsvarende ved at bruge en lysblokker, forskerne lavede en mini walking bot, hvor kun det forreste ben bøjer og retter sig alternativt og derfor bevæger sig under belysning, så det kan gå mod lyskilden (Figur 3). Disse viser, at fremtidige applikationer inden for mikrorobotik, herunder redningsrobotter, er mulige.

Ovenstående beviser afslørede, at dette nikkelhydroxid-oxyhydroxidaktiverende materiale kan have forskellige anvendelser i fremtiden, herunder redningsrobotter eller andre minirobotter. De iboende aktiveringsegenskaber af materialerne opnået fra forskningen viser, at ved at opskalere fremstillingen, kunstige muskler, der kan sammenlignes med dem i pattedyrs skeletmuskler, kan opnås.

Fra et videnskabeligt synspunkt, dette nikkelhydroxid-oxyhydroxidaktiverende materiale er verdens første materialesystem, der kan aktiveres direkte af synligt lys og elektricitet uden yderligere fremstillingsprocedurer. Dette åbner også et nyt forskningsfelt om lys-induceret aktiveringsadfærd for hydroxid-oxyhydroxider, som aldrig er blevet rapporteret før.