凭借柔软的肢体、超有弹性的皮肤、多彩的伪装,章鱼拥有许多科学家和工程师“粉丝”。受到章鱼变形能力和变色能力的启发,康奈尔大学Robert Shepherd博士领导的研究团队设计了一种超弹性 “皮肤”,能够伸展至原来长度的近六倍,并且能发出不同颜色的光(小编:如果觉得下图还不够亮瞎眼,别急着退出,翻到文末,那里有魔性动图等着你)。(Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing. Science, DOI: 10.1126/science.aac5082)
超弹性“皮肤”。图片来源:Science/AAAS
Shepherd团队发明的人造皮肤包括五层。其核心为硅树脂(silicone)电致发光层,包含有硫化锌(ZnS)磷光体粉末,根据磷光体组分不同通电后会发出不同的颜色。例如,少量铜掺杂会亮蓝光或绿光,锰掺杂则亮黄光。
发黄光的人造皮肤。图片来源: Rob Kurcoba/Cornell University
核心层被夹在两层弹性离子水凝胶之间,这种水凝胶作为电极向核心层供电。弹性离子水凝胶由溶胀于氯化锂水溶液的聚丙烯酰胺制备而成,其中盐提供了导电性,而透明的聚丙烯酰胺则提供了韧性。这种材料最先由哈佛大学的科学家George M. Whitesides和锁志刚(Zhigang Suo)于2013年报道(Science, 341, 984-987)。这个三明治式的结构,又被夹在两层外围硅树脂层之间,形成最终的五层结构。
Shepherd和本文共同第一作者Chris Larson说,将亲水性水凝胶粘合到疏水性硅树脂上是非常有挑战性的工作。最终,他们利用臭氧打断硅树脂表面的Si-O键,创造出表面羟基,才完成了这一挑战。这种改性表面使得硅树脂层与水凝胶层之间具有良好的附着力。
Robert Shepherd博士。图片来源:Cornell University
这种人造皮肤还可以感知压力,当受压变形时,水凝胶层的电容也会发生相应的变化,从而导致发光亮度的变化。这意味着这种人造皮肤有潜力感知触觉。为了直观展示这种皮肤的弹性、发光能力和压力敏感性,Shepherd团队用这种材料和几个气动层做了一个简单的“毛毛虫”机器人,可以像毛毛虫那样行进。气压的变化同时还引起了发光亮度的变化,看起来非常炫目。
“毛毛虫”机器人。图片来源:Science/AAAS
科罗拉多大学波尔得分校的工程师Christoph Keplinger说,这项发明对于柔性机器人来说是一种“优秀的解决方案”,它能够将刚性电子元件与软结构进行整合。
“这是高柔性显示器和传感器领域很重要的一个进步,毫无疑问地会用于柔性机器人,”加州大学圣地亚哥分校的仿生机器人专家Michael Tolley评论道。
研究团队认为,除了机器人,这种技术在可穿戴设备上也能发挥巨大的作用。
不过,目前这种超弹性皮肤还需要较高的电压,Shepherd的团队正在研究如何降低这种皮肤的厚度,从而可以用电池供电,而不是像现在这样需要插上电源插头。
1. http://science.sciencemag.org/content/351/6277/1071
2. http://cen.acs.org/articles/94/i10/Octopus-inspires-electroluminescent-skin.html
3. http://www.rsc.org/chemistryworld/2016/03/touch-sensitive-colours-stretchy-skin-soft-robots
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