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兰州化物所周峰、麻拴红《自然·通讯》:?受鲶鱼皮肤瞬时肌肉硬化机制启发,模量自适应润滑水凝胶,中国机械网,okmao.com
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兰州化物所周峰、麻拴红《自然·通讯》:?受鲶鱼皮肤瞬时肌肉硬化机制启发,模量自适应润滑水凝胶
2022年01月25日    新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

耦合机械自适应接触状态与界面相互作用,对实现动态接触过程中良好的摩擦/润滑性能起着重要作用。然而,这些系统通常依赖于反应层表面分子状态或水化程度的变化,而忽略了可调接触状态对摩擦的贡献。长吻鲶鱼皮肤分泌的粘液是一种高度水合的生物大分子,为其提供了光滑的表面中国机械网okmao.com。当感知到外部刺激时,鱼皮随着身体内部红白肌肉的收缩和层叠,实现了适应性的模量变换。尽管表面粘液降低了界面摩擦系数(COF),但皮肤模量的自适应和可切换增强可以减少接触面积和机械变形,从而进一步最小化表面摩擦力,有利于鱼类逃离危险情况或适应外部环境。

兰州化物所周峰、麻拴红《自然·通讯》:?受鲶鱼皮肤瞬时肌肉硬化机制启发,模量自适应润滑水凝胶 中国机械网,okmao.com

图1:受鱼类即时肌肉硬化机制启发的MALH


受鲶鱼皮肤瞬时肌肉硬化机制启发,兰州化学物理研究所周峰、麻拴红团队提出了一种基于模量切换的界面摩擦力控制策略,报告了一种模量自适应润滑水凝胶(MALH)。水凝胶由顶部粘液状亲水润滑层和底部肌肉状水凝胶组成,加热后,它在水中从软/高摩擦状态(~0.3 MPa,μ~0.37)瞬间切换到硬/润滑状态(~120 MPa,μ~0.027)。这种可切换润滑对大范围的正常负载有效,并归因于模量主导的自适应接触机制。设计了热触发的可切换润滑弹以及一种模数自适应可切换润滑装置(MASLD),用于实现可控界面运动。这些重要结果显示了在智能运动装置和软机器人领域的潜在应用。该研究以题为“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin”发表在最新一期的《Nature Communications》上。


【MALH的概念与构建】


首先通过紫外聚合法制备了P(AAc-co-HEMA-Br)水凝胶,在醋酸钙(CaAc)溶液中进行后处理后,形成温度响应相分离的P(AAc-CaAc-co-HEMA-Br)水凝胶。然后将相分离水凝胶浸入含单体3-磺丙基甲基丙烯酸钾(SPMA)的反应溶液中,进行原子转移自由基聚合(ATRP)生成表面润滑层,得到了P(AAc-CaAc-coHEMA-Br-PSPMA)水凝胶(MALH)。高温下凝胶网络中的疏水残基脱水形成疏水区域,使MALH经历了从软凝胶到硬塑料的快速相变过程,导致了其模量的变化。因此,MALH与挣扎的鱼类似,可以通过热刺激下相分离引起的模量变化来操纵界面接触状态和COF,从而实现鱼一样的可切换润滑效果。

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图2:MALH的制备和模量转换机制


【MALH的可切换机械性能】


由于疏水相互作用和离子相互作用的协同作用,MALH可以在1秒内从软、透明的低模量状态(T?=20°C)立即切换到刚性、不透明的高模量状态(T=80°C)。低温下柔软,应变大,断裂强度小;高温下刚性,应变小,断裂强度高,且机械性能可调。刚性状态下,MALH可固定成特定形状,以承受重载(200 g重量)而不变形。与传统的热响应水凝胶 (PNIPAAm)不同,相分离前后体积比变化很大(<0.1),MALH可以保持材料的几何形状,在相分离前后的体积变化率均高于0.9。最后,循环测试实验(从20°C切换到80°C)表明基于相分离的MALH的可切换机械性能是稳定和可逆的。

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图3:MALH的可切换机械性能表征


【MALH的响应润滑】


MALH在刚态和软态之间的可切换特性实现了响应润滑性能。表面复合润滑层的厚度和微观结构会影响界面摩擦性能,与P(AAc-CaAc-co-HEMA-Br)水凝胶相比,MALH的表面表现出规则的皱纹图案,具有明显的间隙。横截面表征表明,润滑层完美地结合在相分离水凝胶的亚表面上,厚度随着PSPMA接枝时间的延长而增加,而在反应30分钟后趋于平稳。采用经典的球盘接触模式和往复滑动试验,研究了MALH在水中的响应润滑。P(AAc-CaAc-co-HEMA-Br)水凝胶在20 °C下表现出高COF(~0.5),在80 °C下表现出低COF(~0.08)。而表面接枝PSPMA作为润滑层后,两种状态下MALH的COF均显着降低。

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图4:MALH的响应润滑行为


【MASLD的制备和展示】


将梯度交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)共价键合到MALH的一侧,制备了一种模量自适应可切换润滑装置(MASLD)。将两片MASLD贴片贴在玻璃板的两侧得到MASLD改性玻璃板。在20 °C时,空白玻璃板的摩擦力(~270 mN)比MASLD改性样品(~120 mN)的摩擦力更高且更不稳定;而改性样品在80 °C相分离后表现出较低的摩擦力(~33 mN)。由于摩擦调节范围广,MASLD可用于控制表面物体的爬行。将MASLD贴片贴在45°倾斜玻璃板的表面上,然后在其表面上放置一个坦克。在低温(20°C)下,由于履带与贴片之间的高界面摩擦力,坦克可以爬上倾斜板。将贴片加热到80°C后,由于模量自适应润滑,坦克很难爬上去。

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图5:MASLD性能表征


【小结】


综上所述,该研究受长吻鲶鱼瞬时肌肉硬化机制的可切换润滑特性的启发,成功开发了模量自适应润滑水凝胶。基于水凝胶基质的相分离,MALH可以实现从低温下的软、高摩擦状态到高温下的刚性、超润滑状态的可逆状态转变。这种响应性特性对于大范围的正常载荷非常有效。最后,开发了一种模数自适应可切换润滑装置(MASLD)作为便携式贴片,应用于移动设备以控制其运动。这项工作为设计智能润滑系统和软机器人提供了灵感。


标签:今日头条机械应用人工智能技术中心机器人工业机器人特种机器人
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