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我系程春课题组发表单晶机器人最新研发成果

发布日期:2019-05-29 10:21:00

    近日,我系副教授程春课题组在智能材料领域取得了突破性进展,相关研究成果在国际顶级学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, IF=13.325)上发表,并被选作内封面(图1)。该研究在微纳尺度下对单晶智能材料(二氧化钒)进行相畴结构的工程化有序调控,是目前为止最为简化的驱动器件结构设计。这一成果也使得高性能、高稳定性的微纳单晶机器人成为可能。

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图1.《先进功能材料》内封面—单晶蛇形机器人

    近年来,机器人产业发展十分迅猛。微型化是下一代机器人必然的发展趋势,开发结构简单、位移输出和力输出大、线性控制性能好、动态响应快的新型驱动器件成为当前微型机器人技术发展的首要和重点突破方向(图2)。

    相比传统的驱动材料,二氧化钒通过相变体积变化实现驱动,是同时具有高功率密度(比拟记忆合金)和高频响应输出(飞秒量级)的理想驱动材料。然而,基于二氧化钒颗粒薄膜的传统微驱动器主要通过制备高质量的薄膜以及改进器件工艺来获得驱动性能的提升,经过多年的发展已经达到了极限。此外,二氧化钒颗粒薄膜中多畴相变十分复杂,会同时受到非化学计量比成分、局部应力和相邻相畴等多种因素的影响,对其相变特性的研究和驱动性能的提升十分困难。

    微型机器人技术的快速发展不但对微驱动器的性能提出了更高的指标,还在功能性应用方面提出了更多的要求。从根本上突破高性能微驱动器的发展瓶颈,不仅需要从改善二氧化钒驱动性能、加深对其相变机制的理解、阐明相畴结构与驱动性能的构效关系入手,还需要系统地研究和理解传统双晶片驱动器结构中存在的缺陷和潜力,发展更为优越的驱动结构器结构,支撑微型机器人技术的快速发展与崛起。

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图2.基于MEMS的微型侦查机器人,其飞行功能由微型控制驱动器(control actuators)和动力驱动器(power actuators)协作完成(图中红圈标注部分)

    传统二氧化钒驱动器是由一维二氧化钒结构与高弹性支持层组成的双晶驱动器。随着温度的改变,双层界面应力会促使二氧化钒结构形成径向非对称相变梯度,以高达1%的径向不对称应变,最终导致弯曲驱动行为。这种双层驱动器有着理论形变量大、能量密度高、响应速度快等优势。但同时,这种双层驱动器也受限于复合结构的一些固有缺陷,如在制备过程中产生的残余应力、亚稳态相的形成、非线性驱动行为,以及较差的环境耐受能力。因此,实现在单一二氧化钒一维结构中的径向不对称相变是解决上述问题的重要突破口。然而,受限于二氧化钒本身晶体结构对称性的限制,一般的相变调控手段仅能实现沿轴向分布的相变梯度,因此二氧化钒一维结构的径向相变调控仍是一个亟待解决的难题。

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图3.二氧化钒纳米线的径向相畴工程及其双向驱动行为

    程春课题组的研究通过引入非均匀还原反应氛围,打破了二氧化钒的晶体对称性的限制,在单晶纳米线高度对称的径向实现了梯度相变调控,使得该纳米线可以随温度的变化而产生双向的弯曲行为(如图3)。这种可以自弯曲的二氧化钒纳米线可作为单晶驱动器,展现了良好的驱动性能,具体包括:可忽略的滞后效应(<2 °C),巨大的振幅(最大曲率变化~2.5´104m-1,振幅/长度比~1),高能量转换效率(~0.83%),高响应速度(达到kHz级别),工作寿命长(> 1千万次循环)。此外,这种单晶驱动器也展现了极佳的结构与化学稳定性,完美地解决了传统二氧化钒驱动器件中存在的问题,并为该领域的进一步发展提供了新的思路。

    程春为该项工作的唯一通讯作者,南方科技大学为该工作的第一通讯单位,我校2012级本科生石润是该论文的第一作者。石润于2017年参加南科大与香港科技大学的联培博士项目,如今已回到南科大继续自己的学习和科研工作,目前已经发表论文19篇,第一作者论文6篇,包括IF>10的论文2篇。该工作中的材料表征工作得到南科大测试中心和香港科技大学王宁教授课题组的大力支持,我校本科生孔德俊、蔡念铎、陈鹏程也参与了部分相关工作。

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程春副教授(左)与博士生石润(右)讨论工作

    该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划纳米科技重点专项、广东省科技发展专项资金(前沿与关键技术创新方向)项目粤港联合创新领域、广东省自然科学基金“杰出青年”项目、广东省高等学校优秀青年教师培养计划、香港研究资助局及南方科技大学启动经费的支持。

    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201900527

转载自南科大官网