【文献总结】2021.7.31-组内动态-仿生智能材料研究组  
【文献总结】2021.7.31
chengchaoyi 4月前 464

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  • chengchaoyi 4月前
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  • 安雪 4月前
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    梯度水凝胶材料

    复杂的感知、防御和伪装机制的结合是一种关键的本能能力,使生物体拥有生存优势。这种多刺激反应性的模拟,包括向触性、生物发光、变色能力等,对科学家开发新型仿生智能材料具有重要意义。然而,大多数仿生变色或发光材料只能实现单一的刺激响应,因此设计和制造协同变色的多刺激响应材料仍在研究中。Li等利用纤维素纳米晶体的胆甾相液晶结构及其水/温度响应行为,开发了一种具有颜色和变形能力的生物激发多刺激响应驱动器。该驱动器具有超高速、可逆双向湿度和近红外(NIR)光驱动能力(湿度:9s;近红外光:16s),伴随着协同彩虹色外观,为驱动器的运动提供视觉提示。这项工作为仿生多刺激响应材料的研究奠定了基础,并将在光学防伪设备、信息存储材料、智能软机器人等领域有广泛的应用前景。

    响应性水凝胶的可编程运动在软机器人、微流体元件、驱动器和人工肌肉等方面的潜在应用受到越来越多的关注。水凝胶孔隙结构的调节对于调整其机械强度、响应速度和运动特性至关重要。形成具有均匀或逐步分布孔隙结构的水凝胶的传统方法受到同时优化这些条件的限制。等制备了一种利用异双功能交联剂的水热法合成具有良好梯度孔结构的响应性水凝胶。根据梯度孔隙度控制,水凝胶同时表现出对外界刺激的快速响应、高弹性/压缩性和可编程运动能力。通过将聚吡咯纳米粒子作为光热传感器,形成了光/热响应复合水凝胶,以实现可编程的运动控制,如弯曲、弯曲、扭转,以及在近红外激光刺激下像章鱼一样游泳。这种新型材料的可调谐的孔隙结构、力学性能和运动特性使这些梯度多孔水凝胶具有潜在的适用于各种应用的潜力

    聚合物水凝胶作为一种仿生软致动器已经引起了人们的广泛关注,但是通过一种简单且可持续的途径设计快速响应的水凝胶致动器仍然面临着巨大的挑战。Mo等通过利用直流电场在聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)基质中诱导可再生的囊状纤维素纳米晶体(TCNCs)的梯度分布,制备了具有高性能的快速热响应水凝胶致动器。三维拉曼技术充分揭示了TCNCsPNIPAM中既充当纳米填料又充当多功能交联剂的空间分布,,其在相应水凝胶致动器的快速弯曲(4.81°s)和恢复速度(1.41°s)中起主导作用。此外,PNIPAM/TCNC水凝胶具有优异的耐用性和稳定性,可作为潜在的温控操纵器,用于长期捕获和运输目标物体,即使在恶劣环境中也可以使用。

    具有形状变形特性的刺激响应材料在人工肌肉、软机器人和组织工程等领域发挥着重要作用其中,刺激响应水凝胶作为具有形状变形特性的致动器一直受到关注。Antonio通过简单的一步无规则共聚合成了一种具有梯度孔结构的两性电解质基水凝胶,反应模的两侧具有不同的亲水性和疏水性。微傅里叶变换红外光谱证明了化学成分的梯度分布。由于梯度孔隙结构和离子键的存在,聚两性电解质基水凝胶在水的环境友好刺激下可以迅速改变形状,在盐溶液中恢复到原来的形状,最大弯曲角度可达180左右。此外,该水凝胶执行器的恢复时间较响应时间短,响应/恢复时间比为2通过调节化学和非化学因素,包括物理交联量、长径比、盐溶液浓度和浸泡时间,可以控制形状变形程度和响应/恢复时间。梯度孔隙结构和运动使水凝胶驱动器成为一种潜在的多种应用材料。

     [1] Li X K, Liu J Z, Li D D, et al. Bioinspired Multi-Stimuli Responsive Actuators with Synergistic Color- and Morphing-Change Abilities. Advanced Science, 2021, 2101295.

    [2] Mo K, He M, Cao X, et al. Direct current electric field induced gradient hydrogel actuators with rapid thermo-responsive performance as soft manipulators. Journal of Materials Chemistry C, 2020, 8(8), 2756-2763.

    [3] Antonio López-Díaz, Ana Martín-Pacheco, Antonio M. Rodríguez, et al. Concentration Gradient‐Based Soft Robotics: Hydrogels Out of Water. Advanced Functional Materials, 2020, 30, 2004417.

    [4] Shao Z J, Wu S S, Zhang Q, et al. Salt-responsive polyampholyte-based hydrogel actuators with gradient porous structures. Polymer Chemistry, 2021, 12, 670–679.

    [5] Dinh, Ngoc-Duy, Rongcong, et al. Gradient Porous Elastic Hydrogels with Shape-Memory Property and Anisotropic Responses for Programmable Locomotion. Advanced Functional Materials, 2015, 25, 7272–7279.


  • 引用 4


     

    Tactile sensory coding and learning with bioinspired optoelectronic spiking afferent nerves

    https://www.nature.com/articles/s41467-020-15105-2

     

    机械感官、神经元和突触在躯体感官系统中的集成与合作使人类能够有效地感知和处理触觉信息。受生物体质感官系统的启发,该研究报告了一种光电尖刺神经,具有神经编码、感性学习和记忆能力,可以模仿触觉感应和处理。该研究的系统通过模拟生物SA-I过敏神经,该系统通过多个基于MXene的受体检测压力信息,通过将发光二极管(LED)与振荡器和边缘探测器(作为特殊的模拟到数字转换器,ADC)将检测到的信息转换为光学尖峰。然后使用光电子突触 OE 突触) 集成编码光学尖峰,这是基于 ITO/ZnO/NSTO的突触光记忆器。该系统中,由于非接触集成的优点,使用分布式受体和突触光记忆器之间的光通信。这允许通过光学尖峰处理多个感官输入,提供从前神经元的各种轴突终端到通过突触的后神经元树突的多个动作电位集成的简单模拟。随着速率编码和时间编码的实施,作为两个主要的生物神经编码原理,光电子尖刺神经不仅能够检测、组合和区分同时的压力输入,而且能够识别莫尔斯编码、盲文字符和物体运动。此外,随着功能提取(编码)的实现,以及在减少维度的架构中学习,系统能够识别和记忆手写字母和单词。。此外,通过尺寸降低功能提取和学习,该系统可以识别和记忆手写字母和单词,为电子皮肤、神经机器人和人机交互技术提供了一种很有前途的方法。

     




     

     

     

    Digital electronics in fibres enable fabric-based machine-learning inference

    https://www.nature.com/articles/s41467-021-23628-5

     

    数字设备是任何现代电子系统的基本组成部分。包含数字设备的光纤可使具有数字系统功能的织物能够应用于生理监测、人机界面和机身机器学习。在这项研究中,使用可扩展的预成形到光纤方法,可生产数十米的柔性光纤,其中包含数百个穿插式数字温度传感器和内存设备,内存密度为 7.6 × 105位每米。整个设备组合可单独处理,并通过光纤边缘的单个连接独立操作,克服了常年单光纤单设备限制,提高了系统可靠性。数字纤维在衬衫中整合后,在多天内收集和存储体温数据,并通过训练有素的神经网络,通过存储在纤维内的 1650 个神经元连接,实时推断佩戴者活动,准确率为 96%。在各种应用中,功能纤维和织物与人体非常接近,包括自动药物输送,在光纤中测量和存储数字信息的能力也包含推理算法,神经接口,个人热管理,和织物计算。


     

     

    Ultrastretchable and Washable Conductive Microtextiles by Coassembly of Silver Nanowires and Elastomeric Microfibers for Epidermal Human−Machine Interfaces

     

    https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsmaterialslett.1c00128

     

    电子纺织品为新兴的电子技术提供了令人兴奋的机会,这些技术具有与人体亲密互动的特点。在各种功能部件中,可伸缩的导电织物是支持传感器、互连器和电触点发展的关键材料。本研究采用银纳米线与TPU微纤维自下而上共组装的方法合成了导电织物。通过将银纳米线和弹性体微纤维同时组装成无纺布多孔结构,制造导电纺织品,该结构具有高导电性(> 5000s cm1),巨大的延展性(600%),以及优良的循环耐久性。与以往的组装策略不同,单个热塑性聚氨酯(TPU)微纤维被共形涂覆一层AgNW网络,以建立金属导电性。独特的结构使AgNW网络沿着微纤维支架产生连贯变形,有效地适应拉伸变形,以实现增强的拉伸能力。AgNW网络在单个TPU微纤维上的共形覆盖会产生相干变形,以减轻实际应变,提高拉伸性能和耐久性。所制备的导电微织物具有一系列理想的性能,包括优异的导电性能(5000 S cm-1),优异的拉伸性能(600%应变),柔软的机械性能,透气性和可水洗性。通过制作集成的多通道肌电信号记录表皮传感套,作为智能人机界面,支持机器学习算法驱动的实时手势识别。本研究报告的导电纺织品非常适合服装集成电子产品,在健康监测、机器人假肢和竞技运动方面有潜在的应用前景。


     


     


     

     


  • yushanyu 4月前
    引用 5

     非儿茶酚结构的水下粘合剂   

    粘合剂是可以将两种材料粘合在一起并防止它们分离的任何物质。粘合剂的许多工业和通用应用需要在潮湿和水下环境中产生并持续粘合。然而,在潮湿条件下的粘合行为受到基材表面形成的水化膜的显着影响,水化膜充当弱边界层并阻止粘合剂直接接触基材。此外,水分子可以通过氢键与粘合官能团相互作用并降低基材的表面能,从而减少粘合所需的相互作用。因此,水分往往会减弱或消除粘合效果。

        多巴的邻苯二酚部分在仿生湿粘合剂的开发中引起了相当大的关注,最近的一些报道描述了基于儿茶酚的粘合剂的粘合性能和应用[1]。尽管基于儿茶酚基团的独特性质在湿粘合剂领域取得了重大进展,但这些基团对氧化、pH 和温度的敏感性意味着它们在许多实际应用中并不可靠,并且存在限制了它们的长期粘附和储存。为了克服这些缺点,研究人员已经研究了各种非儿茶酚基粘合剂;涉及动态共价键合、超分子自组装和干聚合物交联的粘合剂。这些粘合剂中的许多都表现出在潮湿条件下粘附在不同基材上的惊人能力。

         具有氢键相互作用的粘合剂;氢键是许多粘合剂中遇到的一种重要的相互作用类型。氢键的可逆性质在制备强粘合剂中很重要,因为氢键对变形后可进行改造。一些基于氢键相互作用的粘合剂可以通过小分子或低聚物之间的自组装制备。

        含羧基湿胶粘剂;牡蛎产生一种生物矿化的有机-无机杂化 (OIH) 粘合剂,其中含有 50% 的无机纳米颗粒(主要是碳酸钙)和 11% 的交联酸性蛋白 [2]。粘合剂中的无机成分形成硬相,提供内聚力,而有机蛋白质形成软相,促进与基材的粘合和粘合。大分子蛋白质链物理吸附到无机纳米粒子的表面,作为可逆交联点,被吸收的大分子蛋白质链向外径向扩展。这种配置增加了粘合剂表面分子链的流动性,从而增加了粘合剂对基材的润湿性和粘附性 [3]。

        超分子湿胶;小分子或低聚物的超分子自组装能力常用于制备功能材料[4]。自组装超分子粘合剂也被提出,通过氢键相互作用的自组装是最常见的。基于氢键的自然动力学特性,获得的粘合剂通常表现出可逆和刺激响应的粘合能力,这是采用共价键的传统聚合物粘合剂难以实现的[163-167]。由于粘合剂的原位固化能力,自组装超分子粘合剂通常表现出高粘合强度 [5]。例如,田等人。通过简单地按特定比例混合天然存在的小分子硫辛酸、二乙烯基化合物、1,3-二异丙烯基苯和 Fe 3+ 离子,设计了一种超分子热熔胶。这种粘合剂可以通过加热然后冷却来原位粘附到亲水性和疏水性基材上。粘合网络是通过动态非共价氢键、共价二硫键和 Fe 3 +羧酸盐配位键形成的。这种超分子粘合剂的粘合性能归因于共聚物网络中丰富的羧基,可以与基材表面形成氢键。

        具有静电相互作用的合成湿粘合剂;研究人员还研究了静电相互作用作为一种增强粘合剂内聚力和粘附力的方法。这种方法可以通过改变电荷的数量和位置、离子强度或环境的 pH 值来调整粘合剂的粘合强度和内聚强度。

        聚电解质复合粘合剂;通过将商用聚阳离子聚合物与多价阴离子交联剂(混合,制备了一种简单且廉价的基于静电相互作用的复合湿粘合剂。有趣的是,这种聚电解质粘合剂可以通过简单地调节 pH 值来去除,因为阳离子被去质子化或阴离子被质子化,破坏了聚电解质复合物中的静电相互作用并导致其溶解 。

        基于动态共价键的粘附;共价键在潮湿条件下比非共价键更强、更稳定,这对于生物医学领域的粘合剂应用很重要[6]。迄今为止,已经报道了许多具有可逆动态共价键的生物医学粘合剂。粘合剂可以通过动态共价键粘附在湿组织上。有助于粘附生物组织的动态共价键主要分为三种类型,即席夫碱键、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)-活化酯键和异氰酸酯键。其中,席夫碱键最广泛用于制备生物组织粘合剂。

        用于湿粘合的干聚合物交联;与湿水凝胶不同,干聚合物分两步快速并牢固地粘附在湿材料上。首先,干燥的聚合物网络会发生水合和溶胀以去除界面水。除表面水后,干燥的聚合物网络与被粘物的湿材料相互作用以实现粘合。当分子(大分子单体或聚合物)穿过水合层并与基材的反应基团或聚合物网络结合时,粘合剂和湿表面之间通常会发生粘附 [7]。然而,这个过程是时间由于大分子的低扩散性而消耗,并且通常需要较长的固化时间。

     

     

     

    [1] Cui CY , Fan CC , Wu YH , Xiao M , Wu TL , Zhang DF , et al. Water-Triggered Hy-

    perbranched Polymer Universal Adhesives: From Strong Underwater Adhesion

    to Rapid Sealing Hemostasis. Adv Mater 2019;31:1–9 1905761/ .

    [2] Burkett JR , Hight LM , Kennyand P , Wilker JJ . Oysters produce an or-

    ganic-inorganic adhesive for intertidal reef construction. J Am Chem Soc

    2010;132:12531–3 .

    [3] Szilagyi I , Trefalt G , Tiraferri A , Maroni P , Borkovec M . Polyelectrolyte

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    [4] Greef TF , Meijer EW . Supramolecular polymers. Mater Sci 2008;453:171–3 .

    [5] Zhang Q , Shi CY , Qu DH , Long YT , Feringa BL , Tian H . Exploring a nat-

    urally tailored small molecule for stretchable, self-healing, and adhesive

    supramolecular polymers. Sci Adv 2018;4:/1-8 eaat8192 .

    [6] Zhang Q , Shi CY , Qu DH , Long YT , Feringa BL , Tian H . Exploring a nat-

    urally tailored small molecule for stretchable, self-healing, and adhesive

    supramolecular polymers. Sci Adv 2018;4:/1-8 eaat8192 .

    [7] Li J , Celiz AD , Yang J , Yang Q , Wamala I , Whyte W , et al. Tough adhesives for

    diverse wet surfaces. Science 2017;357:378–81 .

     


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