Eine neue Veröffentlichung von Optoelektronische Fortschritte diskutiert, wie fleischfressende Pflanzen intelligente, rutschige Oberflächen und bionische Roboter inspirieren.
Fleischfressende Pflanzen haben Innovationen von fortschrittlichen, auf Stimuli ansprechenden Aktuatoren und mit Schmiermittel angereicherten, rutschigen Oberflächen inspiriert. Die Entwicklung hybrider bionischer Geräte, die die aktiven und passiven Beutefangfähigkeiten fleischfressender Pflanzen kombinieren, bleibt jedoch eine Herausforderung. Das Forschungsteam entwickelte eine auf Feuchtigkeit reagierende formverändernde rutschige Oberfläche. Sie integrierten eine mit Schmiermittel angereicherte rutschige Oberfläche mit einem LRGO/GO-Doppelschichtaktuator. Das Team bereitete eine Reihe von Proof-of-Concept-Aktuatoren vor, darunter eine intelligente Froschzunge und eine intelligente Blume, die aktives/passives Einfangen, Tröpfchenmanipulation und Sensorik demonstrierten.
Fleischfressende Pflanzen können kleine Insekten durch ausgeklügelte Betätigungsmechanismen oder einzigartige Oberflächenbenetzbarkeit fangen und verdauen. Diese Fähigkeit hat die Entwicklung künstlicher intelligenter Oberflächen/Geräte für technische Anwendungen inspiriert, wie z. B. Anti-Icing-Oberflächen, Anti-Biofouling, Tröpfchenkondensation und Tröpfchenmanipulation. Die Nachahmung ihres Fallenverhaltens hat zu innovativen Strategien für die Entwicklung synthetischer Oberflächen, Aktuatoren und Roboter geführt.
Im Allgemeinen unterscheidet sich der Fangmechanismus fleischfressender Pflanzen zwischen verschiedenen Arten, die in zwei Kategorien eingeteilt werden können: aktives Fangen und passives Fangen. Hybride bionische Geräte, die die Vorzüge der beiden unterschiedlichen Arten fleischfressender Pflanzen mit sowohl positiven als auch passiven Fangfähigkeiten kombinieren, sind jedoch immer noch selten. Die Kombination von Dionaea muscipula-inspirierten Aktuatoren mit einer glatten Oberfläche, die die Kannenpflanze Nepenthes nachahmt, ist sowohl für das Aktuatordesign als auch für die Entwicklung einer intelligenten Oberfläche mit hervorragender Benetzbarkeit von Vorteil. Dennoch ist es schwierig, dieses Ziel zu erreichen.
Femtosekundenlaser-Direktschreiben (FsLDW) induzierte Photoreduktion und gleichzeitige Strukturierung, um einen GO- und LRGO-Doppelschichtaktor herzustellen, der eine dynamische Verformung unter Feuchtigkeitseinwirkung ermöglicht. Danach wurde eine mit Schmiermittel infundierte rutschige Oberfläche in den Graphen-Aktuator integriert, indem Schmiermittel auf der LRGO-Seite durch die Kapillarkräfte immobilisiert wurde.
Die beiden Arten fleischfressender Pflanzen zeigen unterschiedliche Strategien zum Fangen von Beute. Nepenthes Kannenpflanzen fangen Insekten durch einen passiven Fangmechanismus mit Hilfe von mit Gleitmitteln angereicherten rutschigen Oberflächen. Im Gegensatz dazu führt Dionaea muscipula durch einen ausgeklügelten Betätigungsmechanismus ein aktives Fangverhalten aus. Das Konzept des hybriden bionischen Modells ist hier die Kombination der beiden Klopfverhalten innerhalb einer synthetischen intelligenten Oberfläche, die das Forschungsteam als durch Stimuli verformbare rutschige Oberfläche bezeichnete.
Herkömmliche Stimuli-responsive Aktuatoren ermöglichen eine reversible Verformung unter externen Stimuli. Sie zeigen das große Potenzial für die Entwicklung von Fangrobotern auf. In den meisten Fällen kann jedoch eine einfache Biegeverformung Insekten aufgrund der langsamen Reaktion auf Umweltreize oder der fehlenden Kontrolle der Oberflächenbenetzbarkeit nicht einfangen. Das Team kombinierte den auf Feuchtigkeit reagierenden Aktuator mit einer mit Schmiermittel angereicherten rutschigen Oberfläche. Die kombinierte Wirkung von Betätigung und Gleiteigenschaft verleiht dem mit Öl angereicherten LRGO/GO-Film eine verbesserte Einfangfähigkeit.
Das Forschungsteam demonstrierte eine auf Feuchtigkeit reagierende, formverändernde, rutschige Oberfläche, die Tröpfchen aktiv kontaktieren und sie passiv weggleiten lassen kann. Basierend auf diesem hybriden bionischen Konzept wird eine intelligente Froschzunge hergestellt, die Tröpfchen mit lebenden Tubificidae auffangen und manipulieren kann. Insbesondere kann sich die rutschige Oberfläche unter Feuchtigkeitseinwirkung biegen, mit dem Tröpfchen in Kontakt kommen und es nach unten gleiten lassen, was sowohl aktive Fang- als auch passive Fangfähigkeiten demonstriert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die In-situ-Integration der mit Schmiermittel versetzten rutschigen Oberfläche mit dem zweischichtigen Aktuator die Betätigungsleistung nicht verschlechtert. Es verbessert auch seine Verformungsgrade unter Feuchtigkeitseinwirkung. Das Vorhandensein einer Ölschicht kann die Übertragung von Wassermolekülen durch die LRGO-Seite vollständig verhindern, und eine selektive Wasseradsorption findet nur innerhalb der GO-Schicht statt. Als Ergebnis zeigte der Öl-LRGO/GO-Aktuator eine große Deformationskrümmung, eine kurze Reaktions-/Erholungszeit und eine verbesserte Stabilität. Für praktische Anwendungen ist eine Laserinterferenzablation effektiver, die einen Interferenzeffekt für eine periodische Musterbildung verwendet. Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in der Herstellung einer formverändernden rutschigen Oberfläche mit hybriden bionischen Funktionalitäten von sowohl stimuliresponsiver Verformung als auch ölgeschmierten rutschigen Eigenschaften.
Die Kombination der Fähigkeit zur Formveränderung mit der glatten Oberfläche kommt sowohl der Betätigungsleistung als auch der Nützlichkeit einer intelligenten Oberfläche mit hervorragender Benetzbarkeit zugute. Dies führt zu neuen Anwendungen wie Tröpfchensammlung, Manipulation und Niederschlagsmessung. Auf Feuchtigkeit reagierende Aktuatoren können Energie aus natürlich vorkommender oder künstlicher Verdunstung von Wasser direkt nutzen. Das kann anschließend in mechanische Energie oder Elektrizität umgewandelt werden, wie z. B. wetterabhängige Architektursysteme, intelligente Textilien und weiche Roboter. Die artenübergreifenden bioinspirierten Materialien kommen sowohl dem Aktuatordesign als auch der Entwicklung intelligenter Oberflächen mit hervorragender Benetzbarkeit zugute. Die auf Feuchtigkeit reagierende formverändernde rutschige Oberfläche offenbart ein großes Potenzial für die Entwicklung bionischer Roboter.
Dong-Dong Han et al., Fleischfressende Pflanzen inspirierten formverändernde rutschige Oberflächen, Optoelektronische Fortschritte (2022). DOI: 10.29026/oea.2023.210163
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