【科技日报】从植物中获取灵感、具有巨大的应用潜力——仿生理念助“金属含羞草”自由开合
2022-10-25
文章来源: 科技日报


视觉中国供图

  含羞草是一种有灵性的植物,它的叶片对触碰、温度都十分敏感。外部刺激可以改变含羞草叶片内部的水分分布,导致细胞收缩膨胀,进而影响其开合。如今,世界上有了一种特殊的“含羞草”,控制它开合的不是触碰,而是磁场。这种“含羞草”也不是植物,而是由我国科学家研发的新型金属玻璃制成。

  近日,见好就收才是赢9782科研团队在国际学术期刊《科学进展》上发表论文,介绍了这种“金属含羞草”。它由金属玻璃和其晶化物组成的复合材料制成,具有屈曲功能,三维结构可开合。该论文作者,见好就收才是赢9782见好就收才是赢9782研究员白海洋告诉科技日报记者,这项被论文评审人称赞为“富有创造力”的成果,出发点其实是科研人员“玩出来”的灵感。

  仿生是研究的交汇点

  白海洋注意到,航天事业对可以自动开合的、平板式运输的材料有现实需求。如果容器或装置可以在太空中自主开合,将大大有助于太空运输以及航天员作业。基于这一设想,白海洋及其团队对可以自动开合、变形的材料进行了探索。

  在这一过程中,科研人员并没有固守思维定式,把金属材料制品的形状局限在盒子等容器的范围内,而是充分尝试了植物、动物等其它形状。这样的尝试又进一步给了研究者灵感,让研究者获得了许多新启发。

  “‘仿生’并不是我们研究的出发点,而是我们在探索过程中找到的交汇点。这个交汇点给了我们新的灵感。”白海洋说。

  在机械等领域,仿生是一个热门概念。但在以机器人研究为代表的大多数科研工作中,仿生的对象都是运动能力较强的人或动物,而非相对静态的植物,金属材料的“植物动态仿生”研究可谓别出心裁,具有很强的独创性和探索性。

  类似真正含羞草的开合原理

  “金属含羞草”如何开合?白海洋和她的学生李金凤给记者做了演示:只要拿一块磁铁靠近“金属含羞草”的中部,它就会自动闭合,把磁铁拿开,“含羞草”又会张开。

  “金属含羞草”由金属玻璃和其晶化物复合制成。金属玻璃又称非晶合金,是能实现形状可逆变化的新型功能材料,具有优异的力学性能。在经过激光图案化技术诱导处理之后,金属玻璃发生了局部晶化,晶化区的密度和模量相对增大,使得金属玻璃区和晶化区之间产生相应的尺寸错配,导致内部产生应力,从而发生屈曲现象。这种屈曲现象是可逆的、在弹性范围内的。由于是铁磁性材料,它会被磁棒吸引从而产生开合动作。从原理来说,这和真正的含羞草叶片开合的原理是十分相似的。

  研究团队在实验室还对新材料的性能进行了测试。他们发现,在弹性极限内,铁基金属玻璃三维屈曲结构的形状变换由外部磁力控制可重复开合,甚至还可以通过外力重新成形或翻转。这种仿生三维结构被磁力控制连续开合至少2万次,且不会出现明显的疲劳裂痕。

  或可在多领域广泛应用

  在各种医疗场景中,人们有时会需要一些具有伸缩功能的器件。例如血液过滤时在血管当中收纳垃圾的器件,就需要具备伸缩功能,方便医疗人员放置和取出。为此,人们采用可以随温度变形的相变合金,这种金属经加温处理可以收缩或膨胀,但加温往往需要达到上百摄氏度。

  “如果用磁场控制的金属玻璃取代相变合金,加温对患者可能造成的伤害就不存在了,医疗人员的操作也会变简单。我们的‘金属含羞草’就可以用于此领域。”白海洋介绍说。

  白海洋补充说,除了血管过滤器,这种金属玻璃还可以用来制作血管支架、微夹持器等器件。此外,新材料还可以用于传感器制造。

  近年来,材料的三维结构形状变换在驱动器、传感器、电感器、微电子机械系统、软体机器人、电子、医疗和航天器件等方面展现出巨大的应用潜力。金属玻璃的三维结构研究已经受到广泛关注,但金属玻璃仿生三维屈曲结构的形状变换尚有很大的开发空间。

  白海洋总结说,此次研究对开发金属玻璃的功能性应用具有重要的科学和技术意义,对实现金属材料的三维屈曲结构也具有启发和指导意义。“仿生”并不是研究的起点,也并非落点,却给金属材料的功能性研究带来了许多启发。这株“含羞草”可以抛砖引玉,一定程度上拓展金属材料的应用空间。

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