客观日本

东京大学开发出可自我修复的新复合材料

2020年05月26日 化学材料

长生不死大概是人类最大的心愿,实现这个心愿必不可少的一个条件是能够自愈即自我修复。由著名演员阿诺·施瓦辛格主演的电影《终极者》里的终结者机器人T-800,无论被枪击、砸损、燃烧,它总能自行修复,重新站立起来。

自修复不仅是科幻电影的题材,也是科学家追逐的对象

最近,东京大学与卡耐基梅隆大学的科学家公开了具有自我修复能力的新复合材料的演示。该项研究是从蜥蜴的尾巴和海星的手臂得到启发而开发的。这种材料被称为MWCNTs-PBS,由聚硅氧烷(PBS)和多层碳纳米管(MWCNTs)复合而成。其是“自我修复UI”的核心部分。

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自我修复示意图

上图所示的的心形是该研究团队考虑的几种方案之一。在演示中,该心形切成两段后,粘在一起,就会开始接合,接缝也会消失。

这项研究成果由卡内基梅隆大学变形物质实验室和东京大学川原研究室合作完成。

从蜥蜴的尾巴到海星的手臂,从嫁接的树木到人类的皮肤,自然界的生物一直以来都在利用它们在柔软的身体上“愈合”伤口的能力,在外部环境中生存。为了将这种自愈特性赋予我们日常生活的界面,该团队提出了“自愈UI”的概念。这是一种软体界面,可以在没有外部刺激或粘合剂的情况下,从本质上自愈损害、重新配置和融合。

实现自愈UI的关键材料是mwcnt -PBS,它是一种自愈聚合物聚硼硅氧烷(PBS)和填充材料多壁碳纳米管(MWCNTs)的复合材料,具有机械和电气自愈性。该团队开发了一种混合模型,将PBS、mwcnt -PBS和其他常见的软材料(包括织物和硅树脂)结合在一起,构建具有自愈合、传感和驱动能力的接口设备。

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mwcnt - pbs的自愈机制

演示的心形材料里嵌入了LED元件和MWCNTs-PBS 传感器。当心脏被切成两半或连在一起时,会被传感器察觉出来。这样,一颗破碎的心可以在6小时内完全“愈合”。

除了修复一颗“破碎的心”,该团队还演示了多人共用(分享)的键盘,设想了用可重新利用的石膏,帮助患者整形疗伤等等。

自我修复材料的应用范围极为广泛,包括军用装备、电子产品、汽车、飞机、建筑材料等领域,其中以其在智能手机和平板电脑屏幕上的应用最受关注。日常生活中,我们经常会不小心将自己的手机屏幕破损,轻者留下划痕,重者则不得不将之丢弃,“自我修复材料”的出现,能有效地解决这类问题。

关于自我修复材料的设想最早可上溯至20世纪60年代,但在技术上出现真正的进展与突破是在进入21世纪之后。2001年,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的的研究团队研制了一种由许多微型胶囊构成的、类似于塑料的自我修复材料。2013年,LG公司推出了后壳注入自我修复涂层的G Flex手机,可自主修复划痕。2017年,加州大学河滨分校的化学家们发现了一种能够借助延展性和粘合力对切口和划痕起到良好的修复作用的可自动修复材料。

东京大学和卡耐基梅隆大学的研究团队在自修复材料的实用化上,又迈进了一步。

东京大学川原研究室,着眼20年以后的社会变化将带来的技术需求,从而以开发崭新的通信技术和有趣的应用为使命。该研究室迄今已取得了一系列的科研成果。在其官网上,可以看到下列几个有趣的成果。

1. Caterpilike: 模仿毛毛虫的柔软的“机器虫”

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应用场景:在广阔空间里任意移动的廉价、小型机器人,以帮助实现人们无法到达的高空作业。

2. 功能集成的可打印机机器人的电驱动相转移致动器

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该方案是将机器人的本体、致动器、传感器、电路全部通过简单的印刷过程整合,10分钟左右就能印刷的致动器。印刷的薄型袋内封有挥发性的液体,如果被喷墨印刷的电热线加热,就会因相变引起的体积变化而变形。该方案已经成功与喷墨打印的触摸传感器和布线图案集成,正在推进折纸机器人的应用。

3. 通过柔性省空间的双面薄膜线圈实现的无线功率传输

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应用场景:适于嵌入到小型设备中,从而扩大了无线功率传输的应用范围。目前正在进行双面薄膜线圈结构的研究,该薄膜具有薄膜的特点,同时能够实现高供电效率。

供稿: 戴维
编辑修改:JST客观日本编辑部

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