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聚焦科研 | 工大近期部分科研进展

大学作者：合肥工业大学 2021-08-30 16:44:37

柔性智能驱动器研究领域取得新进展

近期，我校吴玉程教授、胡颖研究员课题组在智能光驱动器领域取得新进展。胡颖研究员与南京工业大学暴宁钟教授等合作，设计制备了一种基于黑磷异质结构的能自主运动的柔性光驱动器，相关研究成果以“Light-driven Self-oscillating Actuators with Phototactic Locomotion Based on Black Phosphorus Heterostructure”为题在线发表在国际著名学术期刊Angewandte Chemie（《德国应用化学》）。

图1 基于黑磷-碳纳米管异质结构的光驱动器设计示意图、光致变形图片、以及黑磷异质结构微观表征

自然界中许多生物能够在外界环境中自主运动。模拟生物体的这种智能特性、设计出能自主运动的无约束的智能软体机器人在工业生产、环境监测、军事以及日常生活等领域具有广泛的应用前景，因而受到了研究者的关注。然而，目前所研究的许多软体机器人仍然需要人工控制刺激源来实现连续运动，与自然生物系统相比仍缺乏自主性。自振荡运动（包括心肌的跳动、神经元脉冲等）作为生物体的重要特征之一，为设计自主运动的软体机器人提供了启发。

柔性光驱动器能够将外部光能转化为机械能输出，是无约束软体机器人的重要部件之一。为了制备高性能的柔性光驱动器，需要发展新的光响应材料。近年来，石墨烯、MXene和MoS₂等具有独特结构和优异光学性能的二维纳米材料被广泛用于制备具有优异光致变形性能的光驱动器。黑磷纳米片是一种新型的二维纳米材料，在储能、催化、传感、生物医学等领域得到了广泛研究。尤其是黑磷纳米片具有优异的机电性能、在宽波长范围内的光热转换性能、及热膨胀特性，适合于制备光驱动器。然而，黑磷纳米片的重堆叠和较差的稳定性限制了其在光驱动领域的发展。

针对于此，该研究团队设计制备了一种基于黑磷（BP）-碳纳米管（CNTs）异质复合结构的、能在光照下产生自主的趋光自振荡运动的新型光驱动器。通过黑磷-碳纳米管的异质结构复合，碳管与黑磷纳米片P-C键共价互连，提高了层状性能，增强了机械稳定性，并减轻了黑磷纳米片的重堆叠。此外，通过表面化学钝化还提高了黑磷在空气中的稳定性。将黑磷异质结构与聚合物膜和纤维素纸进一步组装，制备了具有光响应的柔性驱动器。由于黑磷异质结构的良好光热效应和热膨胀性能、聚合物与纤维素的热致变形特性，该驱动器能在外部光照下产生可逆的弯曲变形，其变形幅度大（曲率变化为1.9 cm^-1），响应速度快（3s）。以该驱动器为驱动单元，通过设计具有反馈回路的结构来产生自振荡运动，并结合仿尺蠖的非对称结构，制备了一种能在恒定光照下自主向光爬行的柔性机器人。

图2 自振荡的软体机器人在光照下的自主趋光爬行运动

此外，利用驱动器的各向异性以及可裁剪性，还进一步制备了能模拟螃蟹横向爬行的光驱动人工螃蟹、以及在光照下拍打翅膀的人工蝴蝶机器人。

图3 人工螃蟹和人工蝴蝶机器人的设计及其在光照下的仿生运动

以上研究成果不仅揭示了黑磷纳米片在柔性光驱动器和仿生机器人领域中的应用，并且为设计自主运动的光驱动软体机器人提供了新的思路。

该工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等的资助。航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室给予论文工作大力支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108058

混合料集料骨架演化表征及稳定性预测方面取得新进展

近日，我校汽车与交通工程学院的金灿副教授科研团队与德国亚琛工业大学的Markus Oeser教授团队合作，在沥青混合料骨架结构演化表征及稳定性预测研究上取得新进展。相关研究成果以“Stability prediction for asphalt mixture based on evolutional characterization of aggregate skeleton”为题在线发表在计算机与交通基础设施工程交叉领域著名学术期刊Computer-aided Civil and Infrastructure Engineering上。

沥青混合料中，集料骨架结构对混合料的抗变形性能有着十分重要的影响。而当前研究大多以二维集料骨架为研究对象，从统计学视角探讨骨架属性与混合料力学性能间的关联，对于外部载荷在骨架结构中的传递机理涉及较少。因而，对混合料真实骨架结构的表征及力学稳定性的预测精度尚待有效提升。

研究团队在深入分析上述问题的基础上，提出了外部载荷作用下混合料三维骨架结构的演化表征及稳定性评价方法。基于混合料三维重构结果，获得集料三维接触网络，并结合荷载传递机理识别接触网络中的力链，探索混合料三维骨架结构在荷载施加不同阶段的演化规律，进而预测混合料力学稳定性能。试验及仿真结果显示，混合料试件的应变能、接触应力分布情况、稳定性与预测一致。因此，该方法提供了一种集料骨架结构的可视化表征及评价方法，并能基于此较为准确地预测混合料的抗变形性能，可用于基于数字集料库的混合料虚拟设计领域，优化设计参数，以获得力学稳定性能优异的沥青混合料。