石墨烯/蛋白复合软体机器人的光诱导压印三维模塑成型及光驱动调控

Soft micro-robotics have broad application prospects in various fields, such as environmental monitoring, biomedicine, disease diagnosis, national security，etc. However, the conventional micro-robotics, which are powered by the battery or electromagnetic field and so on, are difficult to achieve further flexibility, miniaturization and biological compatibility, and also are complicated to realize remote control under electromagnetic interference. In this proposal, a novel robot driving method and device structure is put forward, which can realize.real-time/domain locomotion regulation by the controllable deformation of the graphene/fibroin composite micro/nano-structures under the infrared field. The orientated/localized structures in large aspect-ratio can be prepared by photo-induced micro/nano-molding process, and the different layout of remote infrared control components can be finally completed by regulation of micro/nano-structure deformation. In this proposal, we will focus on the designing of robotic structures, development of new fabrication principles, improvement of fabrication processes and optimization of locomotion control method of the soft robotics fabrication: research on the mechanism of photo-induced molding confined by micro/nano-scale interfaces for functional composites, investigation of the stress-strain for the micro/nano-structures on the robot driving force and establishment of the locomotion control model of the soft robotics. The proposal is to develop a new route for the fabrication of driving devices with high flexibility, new self-driving, reliable remote control and perfect biological compatibility.

微型软体机器人在生物医学、环境监测及国防安全等领域有广泛的应用前景。但常规微型机器人动力多由电池或电磁场能量转换部件等提供，难以进一步柔性化、微型化和实现生物兼容性，也无法实现某些特殊用途（电磁干扰或屏蔽）所需的远程操控。本课题提出一种以石墨烯/蚕丝蛋白功能复合材料的微纳米结构在远红外操控下的可控形变为动力源泉，实时/域驱动和控制器件运动的新方法和新型器件结构。结合光诱导压印三维模塑成型工艺，通过控制大深宽比微纳米结构的定向/定域成型，实现驱动鞭毛微纳米结构形变的可控调控，完成不同布局远程红外操控部件的制造。为此，从器件结构、制造原理、工艺方法及运动控制等方面，拟研究微纳尺度界面约束下功能复合材料的光诱导流变成型机理；探索材料微纳米结构形变产生较强驱动力的途径；建立微型软体机器人在远程红外操控下的动态响应及运动控制模型。旨在发展柔性、自主驱动、远程操控及生物兼容性微型驱动器件制造的新途径。

针对传统微型机器人依靠自带的能量转换部件进行驱动，难以进一步进行柔性化、微型化、远程操控及满足越来越高的生物兼容性要求。本项目提出了基于生物兼容性复合功能材料的微纳米结构化，在外场操控下，依靠微纳米结构自身的形变使机器人获得强劲的驱动力的驱动方式。通过研究光诱导模塑成形过程的界面和流变力学行为，分析复合功能材料的光诱导微纳米结构精确成型方法，建立光诱导压印三维模塑成型模型，利用光调控模具表面能定域化分布，实现大深宽比微纳米结构的定向/定域化制造；通过研究优化的驱动鞭毛微纳米结构形态、外场操控参数与微纳米结构形变量的关系、驱动鞭毛微纳米结构对薄膜力学形变特性的影响等，从而建立基于微纳米结构应力应变的形变调控结构模型，为微型软体机器人动力驱动结构的进一步性能优化提供依据；通过建立多场耦合作用下微型软体机器人的运动控制数学模型，并结合外场操控下微纳米结构在流场环境中发生形变的动态实时观察，研究外场操控下微型软体机器人的实时/域控制方法，实现微型软体机器人的自主驱动和远程操控；最终进行在位监测系统的搭建及界面驱动软体机器人在狭小空间在位监测的验证，并针对狭小空间内壁监测装置的结构、监测精度、适用范围等问题展开软体机器人的方案设计，选择具有强穿透性的近红外光作为软体机器人远程操控的激励源，基于碳材料的光热效应以及优良的红外响应能力和聚合物基体的柔性、易成型性与生物兼容性，设计了软体机器人基体模型的双层结构，利用界面驱动的工作原理，实现软体机器人在狭小空间内的移动。本项目从制造原理、工艺方法及运动控制等方面，研究了微纳尺度界面约束下功能复合材料的流变成型机理，探索了材料微纳米结构形变产生较强驱动力的途径，建立了微型软体机器人在远程红外操控下的动态响应及运动控制模型，实现了狭小空间内的直观和实时监测，展示了微型软体机器人在生物医学、环境监测及国防安全等领域的广泛应用前景。