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陈晓东教授团队:脑洞大开!用Wi-Fi无线控制捕蝇草运动,响应时间快,功率低至0.00001W!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

柔性致动器因其较好的环境适应性,相较于刚性致动器能够执行更精细的任务。现有的柔性致动器的主流材料是流体/气动弹性体、形状记忆聚合物和电响应聚合物。但是驱动这些人工合成的聚合物材料进行形状改变或者机械运动都需要大功率能量输入或者较慢的响应。捕蝇草这种植物,作为一种天生拥有复杂倾触性的植物,能够在上表皮感受到触碰后产生动作电位使其快速关合,是一种非常好的天然柔性致动器。因此,理论上可以通过外界电刺激对捕蝇草的致动行为进行控制。但是精确控制植物按照人类的需求进行运动仍有两点挑战:一是要创建一个可以和植物进行通讯且不影响其运动和生理学的物理界面,二是通过这个界面可以和植物进行高效通讯。

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为了解决这些问题,新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队创造性开发了一种适配的水凝胶基柔性电极,通过电信号精确调制捕蝇草按需进行运动,响应时间仅需1.3秒,输入功率只要10-5W,并且还可以实现Wi-Fi无线控制,让捕蝇草作为植物致动器Phytoactuator为人所用。这种植物致动器还能安装在多种平台上,例如机械手上。并且能够在控制下精准抓住细线和移动的物体。该研究成果以题为“An on-demand plant-based actuator created using conformable electrodes”的论文发表在顶尖学术期刊《Nature Electronics》上。

【植物电信号调制的适配电极】

为了调制捕蝇草的电生理学现象,植物适配电极需要不仅能探测到来自植物的电信号,还需要按需传递电信号给植物。理想的适配电极要具有以下特点:非侵入式,顺应植物表皮的形貌和运动,小型化和便携,在离子流和电流之间高效转换。但是由于植物表皮有粗糙微结构的蜡质角质层,普通的电极难以同时具备以上特点。本论文中的适配电极利用柔性黏附水凝胶作为和植物表皮的接触层,利用PDMS上的金纳米网格作为电信号传输层,同时水凝胶层也可以传输植物产生的离子信号。并且该适配电极仅有4.9 mg,相较于捕蝇草本身的质量(大约228 mg)可以忽略不计,非常轻便又透明。

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图1. 电调制的植物基致动器适配电极。(a)植物基致动器Phytoactuator受适配电极调制来控制运动的示意图。(b)适配电极的材料示意图。(c)黏合水凝胶和捕蝇草界面侧视图的光学显微镜照片。(d)适配电极在有水凝胶和没有水凝胶时的黏合强度对比。(e)新型适配电极和传统银/氯化银-琼脂电极控制捕蝇草运动的对比照片,传统银/氯化银-琼脂电极非常容易脱落。

【捕蝇草的电信号调制】

通过适配电极向捕蝇草施加电压,可以观察到每次机械触摸后都会产生一个动作电位。在第二个有效动作电位后,捕蝇草的叶片会关闭,并且两个动作电位之间的时间间隔要小于60s,否则将不能叶片将无法关闭。为了通过电信号调制捕蝇草的运动,作者将一对适配电极黏附在捕蝇草叶片的表面,一个用来施加直流电压,另一个用来获得捕蝇草产生的电位信号。在3V直流电压的刺激下,第一个动作电位会在施加刺激的瞬间产生,在之后的40s内产生一系列的动作电位,在第二个动作电位产生的时候,捕蝇草叶片会关闭。通过详细地研究频率相关的电信号调制行为,作者发现刺激捕蝇草叶片关闭的最小阈值电压为1.5V,响应时间短至1.3s。并且施加的电压仅作为电信号刺激捕蝇草,并不需能量输入去驱动捕蝇草致动器,因此功率消耗仅为10-5W。

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图2. 通过直流电压刺激捕蝇草。(a)一对适配电极在捕蝇草表面工作的示意图,左边的电极施加3V直流电压调制捕蝇草,右边电极用来探测植物产生的相应的电信号。(b)捕蝇草被3V直流电压调制运动的照片。(c)适配电极探测了当施加3V直流电压时,捕蝇草的电位信号。在施加电压后的瞬间,第一个动作电位就产生了。在第二个动作电位产生后,捕蝇草合上叶片。(d)捕蝇草在不同电压下的行为,展示了刺激驱动的阈值电压为1.5V。(e)不同刺激电压下,75s内捕蝇草产生的电位信号。(f)在不同刺激电压下,捕蝇草响应时间和前两个动作电位的时间间隔之间的关系。(g)通过直流电压刺激产生的动作电位系列分析动作电位直接的时间间隔。

【捕蝇草植物致动器的按需运动】

为了增加计算机界面在人与环境的相互作用,智能手机上的Wifi被用来控制这种植物基致动器phytoactuator。常见的Wifi芯片的输出电压是3.3V,而phytoactuator致动器的刺激电压仅需要1.5V,因此完全可以用Wifi信号通过适配电极来进行控制致动器phytoactuator的展开与闭合。传统的机器手在处理不明确的目标时会有困难,作者将能够捕获纤长纤毛小昆虫的致动器phytoactuator与传统机械手相结合,可以执行非常精细的任务,比如抓取直径为0.5mm的铂丝。并且这种致动器phytoactuator还可以执行需要快速响应的任务,比如抓住以1cm/s的速度下落的重量为1g的砝码。

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图3. 模块化电致动phytoactuator集成到其它平台上。(a)通过手机上的无线信号控制phytoactuator致动器的示意图。(b)通过手机上的无线信号控制phytoactuator致动器运动的照片。(c)将phytoactuator集成到机械手上,可以在电信号控制下执行精细任务,例如抓住直径为0.5mm的铂丝。(d)将phytoactuator集成到机械手上,可以在电信号控制下快速响应,例如抓住以1cm/s速度下落的砝码。总结:作者制造出可传导电信号和离子信号的柔性植物基适配电极,黏附在捕蝇草的表面,通过低电压低功耗的电信号刺激,使phytoactuator致动器可以快速响应,按需执行运动。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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