1 内蒙古师范大学 化学与环境科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022
2 内蒙古大学 化学化工学院, 内蒙古精细有机合成重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010021
刺激响应水凝胶可以对环境的微小变化产生较大的物理化学变化, 在药物传递、生物分离、生物传感器和组织工程等领域具有广泛的应用。但受聚集导致荧光猝灭(ACQ)效应的影响, 其在发光相关领域的应用受到限制, 聚集诱导发光(AIE)概念的提出解决了这一难题。将AIE分子引入水凝胶体系, 获得刺激响应型AIE水凝胶, 在生物医学、信息防伪、3D水凝胶驱动器以及软体机器人的开发等多个高科技领域崭露头角。本文将近年来报道的刺激响应型AIE水凝胶按刺激因素分为物理因素(温度和光)、化学因素(pH、溶剂和离子)和生物因素(酶)三大类, 分别阐述了水凝胶的制备、响应机理及潜在应用, 并针对刺激响应型AIE水凝胶面临的问题和挑战进行了展望。
刺激响应型水凝胶 聚集诱导发光 信息防伪 软体机器人 药物传递 stimuli-responsive hydrogels aggregation-induced emission information anti-counterfeiting soft robots drug delivery
1 武汉科技大学 冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉43008
2 武汉科技大学 机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉430081
软体机器人运行中的形状信息反馈对机器人精准操控非常重要，由于其柔性的躯体特性，对搭载的形状测量传感器的柔顺性同样要求很高，为此面向软件机器人的光纤光栅柔性传感，提出了一种基于双层正交光纤布拉格光栅的可实现三维形状测量的柔性传感器，阐述了传感器的结构组成和测量原理，制备了由两层4×4光纤布拉格光栅阵列组成的传感器原型。对该传感器进行横向和纵向的曲率标定，得到了波长漂移量与曲率之间的线性递增关系；随后开展了三维形状测量研究，通过测量空间传感点的曲率建立三维坐标系，将曲率信息转化为空间坐标信息，再通过对空间离散坐标点的插值拟合来重建被测物体表面的三维形状。该柔性形状传感器可实现对复杂曲面的三维形状感知，曲率测量误差为2.8%~4.5%。本文提供的光纤光栅柔性传感器可为软体机器人的形状测量提供技术支持。
光纤布拉格光栅 软体机器人 双层正交 形状传感 fiber Bragg grating soft robot double-layer orthogonal shape sensing 光学 精密工程
2021, 29(10): 2306
1 北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
手术机器人的末端操作力测量是实现机器人精准控制的关键，对保证手术操作的安全性至关重要。文中针对微创手术软体机器人末端三维力测量的实际需求，提出一种基于光纤光栅的微创软体机器人末端三维力的测量方法。基于光纤光栅传感原理，分析光纤传感器植入在软体机器人中的传感特性，建立基于最小二乘法线性标定和基于伯恩斯坦多项式非线性补偿的软体机器人末端力解耦模型，研究光纤光栅中心波长漂移量和软体机器人末端三维力之间的关系。并通过实验测试和对比分析验证了基于线性标定和非线性解耦算法的光纤传感软体机器人末端力测量性能研究结果表明：光纤光栅传感的可重复性平均为1.5 pm，末端力在XYZ三个方向上的测量精度误差均低于满量程的5%，且残差分布大部分集中在可靠区间，具有良好的重复性。所提出的基于光纤光栅的软体机器人末端力解耦算法为微创手术软体机器人的末端力精确测量提供了有效的方法，在生物医学等软体机器人的末端力测量中具有应用前景。
光纤光栅 力传感器 软体机器人 fiber Bragg grating force sensor soft robot 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200386
1 武汉科技大学 冶金装备及其控制教育部重点实验室, 湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学 机械传动与制造工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430081
为了研究光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)在感知形状变形时, 低杨氏模量的柔性材料与高杨氏模量的刚性二氧化硅的结合是否存在刚-柔应变耦合引起的蠕变、应变传递差异等实际问题。采用软体机器人常用的硅胶和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)材料, 制备了4个不同杨氏模量的软体基体, 在每个软体基体内植入了3个FBG, 形成4个具备形状测量能力的柔性传感器, 并进行弯曲测试, 然后建立应变传递模型验证了实验结果与理论推导的一致性。结果表明: 软体基体和FBG结合时存在刚-柔耦合引起的蠕滑问题, 约30 min后趋于耦合稳定。其次, 4个柔性传感器内的3支FBG耦合稳定后的波长漂移量均表现出较好的线性和一致性。此外, FBG与基体的刚-柔性差异越大, 耦合蠕滑越严重, 应变传递引起的波长漂移量越小。其中, 最大应变传递率为0.680, 最小应变传递率为0.260, 最大灵敏度为56.649, 最小灵敏度为35.668。研究结果为基于植入式光纤光栅的软体机器人形状测量技术的研究提供了科学参考。
光纤布拉格光栅 刚-柔应变耦合 应变传递差异 软体机器人 形状测量 Fiber Bragg Grating(FBG) rigid-flexible strain coupling difference of strain transfer soft robot shape measurement
天津大学 材料科学与工程学院, 天津 300350
随着人工智能的快速发展, 开发响应速度快、效率高、制备简单且易加工的智能材料具有重要的意义。近年来, 近红外光(Near-Infrared,NIR)响应液晶纳米智能材料受到研究人员的广泛关注。将具有近红外吸收特性的功能纳米材料与液晶智能材料复合, 制备近红外响应液晶纳米智能材料, 在可穿戴电子设备、仿生器件、软体机器人、生物医学器件等诸多方面都具有潜在应用。本文综述近年来在近红外响应液晶纳米光子晶体与液晶纳米致动器方面的重要研究进展。液晶纳米光子晶体是将功能纳米材料与手性液晶(如胆甾相和蓝相液晶)复合, 在红外光刺激下其结构色能够发生可逆变化; 液晶纳米致动器是将功能纳米材料与交联液晶聚合物复合, 在红外光刺激下智能液晶薄膜能够发生形状变化或宏观运动。最后讨论了近红外光响应液晶纳米智能材料在未来发展和潜在应用中存在的机遇和挑战。
智能材料 液晶材料 光子晶体 软体机器人 近红外光 intelligent materials liquid crystals photonic crystals soft robotics near-infrared light
