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科技日報記者 陳曦 通訊員 吳軍輝
曬曬太陽就能振動，光照不停、振動不止。省去光電轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、持續(xù)的機械能，一直停留在人們的想象之中。日前，南開大學(xué)劉遵峰教授、陳永勝教授和中國藥科大學(xué)周湘副教授團隊共同設(shè)計出一種基于多孔薄膜的自振蕩“太陽能人工肌肉驅(qū)動器”，并探索了作為發(fā)動機的應(yīng)用，開發(fā)出“太陽能人工肌肉發(fā)動機”，為人類高效利用太陽能開辟一條新路徑。介紹該研究工作的論文日前發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。
基于多孔薄膜的自振蕩“太陽能人工肌肉發(fā)動機”原理示意圖。
據(jù)介紹，驅(qū)動器是一種在外界環(huán)境刺激下產(chǎn)生機械變形，并將光能、熱能、化學(xué)能等各種環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為機械能，從而產(chǎn)生驅(qū)動力的硬件，也是微機電系統(tǒng)、光發(fā)動機等應(yīng)用場景中不可或缺的核心部件。研發(fā)一種自發(fā)且持續(xù)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的軟體驅(qū)動器是該領(lǐng)域的關(guān)鍵難點之一。
“自振蕩是生物有機體的一個重要特性，比如心臟跳動、細(xì)胞循環(huán)等，為設(shè)計連續(xù)運動的軟體機器人及自主智能裝置提供了方向。”劉遵峰介紹，目前已有科研團隊成功構(gòu)建了光響應(yīng)自振蕩驅(qū)動器，然而，在太陽光等散射光刺激下發(fā)生自振蕩運動并用于機械做功始終沒能實現(xiàn)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物薄膜中的溶劑蒸發(fā)會導(dǎo)致體積收縮且光照射薄膜一側(cè)會加速薄膜內(nèi)部溶劑蒸發(fā)，導(dǎo)致各向異性體積收縮，從而產(chǎn)生向光彎曲。“實驗證明，在薄膜中引入多孔結(jié)構(gòu)可以有效促進溶劑分子的質(zhì)量傳遞，從而導(dǎo)致薄膜材料發(fā)生更快的彎曲速度和更大的彎曲幅度。因此，我們認(rèn)為，基于多孔薄膜的光誘導(dǎo)溶劑蒸發(fā)可能是實現(xiàn)自振蕩驅(qū)動的良好候選者。”劉遵峰說。
在上述研究的基礎(chǔ)上，這支聯(lián)合研究團隊最終設(shè)計研發(fā)出基于太陽光的自振蕩驅(qū)動薄膜。它主要通過光熱衍生的溶劑蒸發(fā)引起的聚丙烯/炭黑聚合物薄膜兩側(cè)的交替體積減小實現(xiàn)振動。聚合物薄膜中的各向異性溶劑蒸發(fā)和快速梯度擴散在發(fā)散光的照射下維持振蕩彎曲驅(qū)動。
據(jù)介紹，該工作首次實現(xiàn)了在包括太陽光、紅外光和模擬太陽光等發(fā)散光下的自振蕩驅(qū)動，也實現(xiàn)了在不同發(fā)散光照射角度下的自振蕩運動。這種光響應(yīng)自振蕩驅(qū)動器具有優(yōu)異的振蕩做功性能、出色的負(fù)載能力（可負(fù)載4倍于自身重量的物體）和較高的能量轉(zhuǎn)換效率（0.9%），并在溶劑不斷供應(yīng)的情況下保持持續(xù)振蕩運動，不會停止。
“這項工作為‘太陽能發(fā)動機’提供了一種全新的設(shè)計策略，有助于自驅(qū)動設(shè)備的研發(fā)，并將促進其他領(lǐng)域跨學(xué)科交叉，助力智能材料、柔性器件等智能設(shè)備領(lǐng)域的快速發(fā)展。”陳永勝說。
（南開大學(xué)供圖）
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