Fugtresponsive robotter gennemsøger uden ekstern strømkilde

Ved hjælp af en kamera-flash fra hylden, forskere forvandlede et almindeligt ark grafenoxid til et materiale, der bøjer, når det udsættes for fugt. De brugte derefter dette materiale til at lave en edderkoppelignende crawler og klo robot, der bevæger sig som reaktion på skiftende fugtighed uden behov for ekstern strøm.

"Udviklingen af ​​smarte materialer som fugtresponsiv grafenoxid er af stor betydning for automatisering og robotik, "sagde Yong-Lai Zhang fra Jilin University, Kina, og leder af forskerholdet. "Vores meget enkle metode til at gøre typiske grafenoxider smart er også ekstremt effektiv. Et ark kan udarbejdes inden for et sekund."

I journalen Express optiske materialer , fra The Optical Society (OSA), forskerne rapporterede, at grafenoxidplader, der blev behandlet med kort eksponering for stærkt lys i form af en kamerablitz, udviste reversibel bøjning i vinkler fra nul til 85 grader som reaktion på at skifte den relative luftfugtighed mellem 33 og 86 procent. De demonstrerede også, at deres metode kan gentages, og de enkle robotter, de skabte, har god stabilitet.

Selvom andre materialer kan ændre form som reaktion på fugt, forskerne eksperimenterede med grafenbaserede materialer, fordi de er utroligt tynde og har unikke egenskaber som fleksibilitet, ledningsevne, mekanisk styrke og biokompatibilitet. Disse egenskaber gør grafen ideel til brede applikationer på forskellige områder. For eksempel, materialets fremragende biokompatibilitet kunne tillade fugtresponsiv grafenoxid at blive brugt i organ-on-a-chip-systemer, der simulerer mekanik og fysiologisk reaktion af hele organer og bruges til opdagelse af lægemidler og anden biomedicinsk forskning.

Fremstilling af et fugtresponsivt materiale

Andre grupper har vist, at grafenoxid kan gøres fugtfølsom gennem en kemisk reaktion kaldet reduktion, som fjerner ilt fra molekyler. Faktisk, forskerne har tidligere demonstreret, at både sollys og UV -lys kan forårsage effekten. Imidlertid, disse fremgangsmåder var svære at præcist kontrollere og ikke særlig effektive.

Forskergruppen eksperimenterede med at bruge en kamerablitz, som typisk dækker et bredt spektralområde, som en enkel og effektiv måde at skabe fugtresponsiv grafen på. En kamerablitz tillod forskerne at fjerne ilt fra, eller reducere, kun den ene side af et ark grafenoxid. Når der er fugt, den reducerede side af grafenoxidet absorberer færre vandmolekyler, får den ikke-reducerede side til at ekspandere, og arket bøjer mod den reducerede side. Hvis materialet derefter udsættes for tør luft, det flader ud.

Forskerne fandt ud af, at det var nok at holde flashen omkring 20 til 30 centimeter væk fra grafenoxidarket til selektivt at ændre det øverste lag af arket uden at trænge helt igennem til den anden side. Arket skal også være mere end 5 mikrometer tykt for at forhindre, at det reduceres fuldstændigt af flasheksponeringen.

Graphene robotter

For at lave en fugtdrevet crawler, forskerne skar flash-behandlet grafenoxid til en insektform med fire ben. Den fritstående crawler var omkring 1 centimeter bred og bevægede sig fremad, når luftfugtigheden blev øget. Hvis luftfugtigheden blev slukket og tændt flere gange, fik crawlen til at bevæge sig 3,5 millimeter på 12 sekunder, uden ekstern energiforsyning.

Forskerne lavede også en kloform ved at stikke otte 5-til-1 millimeter bånd af flash-behandlet grafenoxid sammen i en stjerneform. Når fugt var til stede, kloen lukkede inden for 12 sekunder. Det vendte tilbage til en åben position efter 56 sekunders udsættelse for tør luft.

"Disse robotter er enkle og kan manipuleres fleksibelt ved at ændre miljøfugtigheden, "sagde Zhang." Disse designs er meget vigtige, fordi flytning og indfangning/frigivelse er grundlæggende funktioner i automatiserede systemer. "

Zhang tilføjede, at integrering af fugtresponsiv grafen i et mikrokanalsystem, der er forbundet til fugtighedsregulator, kunne muliggøre endnu mere præcis kontrol og andre typer robotter eller enkle maskiner. Forskerne arbejder nu på måder at forbedre kontrollen med materialets bøjning og eksperimenterer med måder at opnå mere kompleks ydeevne fra robotter lavet af fugtresponsivt grafenoxid.