基于野燕麥麥芒細胞的仿生自驅(qū)動復合材料制備及其吸濕變形分析

劉夢云,徐獻忠,劉 銘,李晨陽

(鄭州大學 力學與安全工程學院,河南 鄭州 450001)

1 前 言

與天竺葵芒[1]、野生小麥芒[2-3]、老鸛草芒[4]一樣,野燕麥麥芒能夠隨著環(huán)境濕度的變化作出伸直、盤繞、彎曲、螺旋和解螺旋等運動,以幫助所依附的錐形體鉆進土壤縫隙中實現(xiàn)種子的自驅(qū)動傳播策略[5]。從仿生學的角度看,這些植物芒集傳感器和致動器于一體,在沒有任何能量供給的情況下僅通過感知外界濕度的變化便可作出自響應性、大尺度、高效精準的 “自驅(qū)動”變形運動[6],這為吸濕運動的功能仿生設計提供了更多選擇和靈感,伴隨著高分子和微納米材料科學的發(fā)展,進一步對微型致動器、濕度傳感器、機器人及人造肌肉等新型智能裝置的設計具有重要的啟迪作用[7-9]。

研究表明[10],野燕麥麥芒具有從納米到細胞、組織及宏觀尺度的多級精密結(jié)構(gòu)。成熟的野燕麥主芒是平行排列的細胞纖維互相纏繞而成的圓柱體結(jié)構(gòu),可隨環(huán)境濕度的增加順時針旋轉(zhuǎn)打開螺旋使細胞纖維呈平直狀,并在濕度減小時重新按逆時針捻轉(zhuǎn)回到干燥時的螺旋狀態(tài)。單個麥芒細胞纖維具有壁厚、中空的結(jié)構(gòu)特性,外觀基本呈細長的圓柱形;在其內(nèi)部,剛性的纖維素微纖絲以大角度螺旋的形式嵌入到由果膠及半纖維素等組成的親水性混合基質(zhì)中。隨著濕度的變化,混合基質(zhì)的吸水特性會使細胞發(fā)生各向異性變形以帶動麥芒束細胞及整個主芒的旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)野燕麥麥芒細胞的吸濕原理設計制備出相應的仿生裝置,在充分了解芒細胞的結(jié)構(gòu)特征及其運動變形機理的基礎上,本研究以定制的智能水凝膠及高模量玻璃纖維為基材,制備出仿生自驅(qū)動復合材料,期望通過對剛性纖維的排布來引導基體材料在吸水膨脹過程中自發(fā)產(chǎn)生各向異性變形,并在試驗的基礎上運用有限元分析軟件建立仿生裝置模型,運用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法探討含水率對仿生復合材料變形的影響。

2 實 驗

2.1 智能水凝膠的制備

仿生裝置實現(xiàn)吸濕變形功能的前提是制備一種像果膠和半纖維素那樣具有遇水膨脹功能的彈性智能材料,使其在外界條件的刺激下,將化學能轉(zhuǎn)化為機械能并做出相應功能性運動,智能水凝膠就是目前研究較為廣泛的一種智能材料。采用自由基溶液聚合法制備智能水凝膠,試驗所需藥品見圖1(a)。制備時首先使用FA1104電子天平稱取1.5 g N-異丙基丙烯酰胺單體和0.03 g交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺溶于20 m L 去離子水中;隨后稱量0.0957 g的海藻酸鈉加入到上述溶液中,使用DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器充分攪拌溶解,如圖1(b)所示;隨后使用微量取樣器加入質(zhì)量分數(shù)為6%的過硫酸銨引發(fā)劑0.3 m L 和促進劑N,N,N,N′-四甲基乙二胺0.2 m L,最后將反應液劇烈攪拌3 min,在室溫下密封靜置24 h,使其充分聚合。所制成的智能水凝膠材料在干燥固化前是具有一定粘性的液體,如圖1(c)所示;一段時間后變?yōu)楦酄畈煌腹夤腆w,如圖1(d)所示。隨后對該樣品的各項性能進行了測試:在溫度為27℃,濕度為60%的條件下,干燥后凝膠的彈性模量為(10.94±0.12)MPa,壓縮強度為(4.01±0.14)MPa;遇水膨脹后體積最大可達原體積的11倍;吸水前期溶脹速率呈直線上升。

圖1 智能水凝膠制備過程圖Fig.1 diagram of intelligent hydrogel preparation process

2.2 仿生自驅(qū)動復合材料的制備

已有研究表明[10],野燕麥麥芒細胞中纖維絲以75°微纖絲角盤繞在細胞壁基質(zhì)中,當外界濕度發(fā)生變化時,纖維的螺旋形式及基質(zhì)吸水膨脹的特性會使細胞發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形?；谏鲜龇治鲈O計制備自驅(qū)動復合材料。首先,利用設計的模具制備出彈性基體,如圖2所示:將配制出的液體水凝膠倒入內(nèi)部附有彈簧的中空柱狀體中,讓彈簧與柱狀體緊密貼合,螺旋角為75°,隨后室溫下密封放置24 h。然后緩慢旋轉(zhuǎn)擰出已經(jīng)交聯(lián)完成的固體水凝膠,小心撐作防止凝膠扯斷。此時的柱體水凝膠拉伸性好,材質(zhì)柔軟,外表面可見螺旋軌跡。為了探討相同直徑情況下不同長度仿生材料的變形情況,設置了6組試驗體進行對照。

圖2 彈性基體的制備過程Fig.2 Preparation process of elastic matrix

經(jīng)上述制得表面帶有螺紋軌跡的透明水凝膠基體以后,再進行仿生自驅(qū)動復合材料的研制。剛性纖維材料選擇價格低,質(zhì)量輕,且抗拉強度和彈性模量高的玻璃纖維[11]。具體步驟為:小心地將上述表面帶有螺紋軌跡的透明水凝膠放入FX202-CO 型電熱干燥箱中干燥(上海樹立儀器儀表有限公司),溫度設置為100℃,加熱幾分鐘后凝膠變?yōu)楦酄罟腆w,此時透光率幾乎為零。室溫下自然固化一段時間后便可按照螺旋軌跡纏繞玻璃纖維并在其表面涂抹硅膠軟膠水,靜置24 h使其達到最大粘接強度。細胞纖維束復合材料則是在上述單個細胞纖維復合材料制備的基礎上研制,細胞與細胞之間的連接部位用硅膠填充,也就是說纖維束制作過程中不但要控制單個細胞纖維中纖維和基體不能分離,還要注意細胞纖維與細胞纖維之間的緊密結(jié)合,以確保纖維束仿生復合材料在發(fā)生形變的同時不會出現(xiàn)纖維與基體脫離、細胞與細胞分離等情況。

2.3 仿生自驅(qū)動復合材料變形的量化分析方法

為了表征仿生自驅(qū)動復合材料所作出的三維螺旋運動的具體扭轉(zhuǎn)角度及速率,待仿生材料制備完成后按照圖3所示的方法對其進行量化分析。首先,在一張空白紙上畫出一個十字基準線;隨后,將仿生材料的一端固定在鐵塊(四周標記出于與基準線相對應的基準點)上;最后,在仿生材料的頂端固定一個指針,當材料吸水扭轉(zhuǎn)變形時,指針便會發(fā)生相應的轉(zhuǎn)動。正式試驗時,將固定在鐵塊上的仿生自變形材料放入盛水的燒杯中,對燒杯及指針的相對位置進行標定后,使用攝像機拍攝它的變形情況,同時,每隔五分鐘記錄一次材料的質(zhì)量、高度及扭轉(zhuǎn)角度,為之后分析不同時間或不同含水率條件下材料的形變量提供基礎數(shù)據(jù)。

圖3 仿生自驅(qū)動復合材料的量化表征方法Fig.3 Quantitative characterization of biomimetic self-actuated composites

2.4 有限元分析

建模時,將模型簡化為一個厚壁中空的柱狀管材(圖4)。該有限元模型的外半徑、內(nèi)半徑、纖維半徑和高度分別用變量R1、r1、r和H來表示。仿生自驅(qū)動復合材料在變形過程中會存在大轉(zhuǎn)動、大位移等現(xiàn)象,屬于典型的幾何非線性問題,所以在對其進行有限元分析時需要在Ansys求解器中將Nlgeom 設為開啟狀態(tài)。在賦予材料屬性時,將嵌入到基體中的剛性纖維絲簡化為橫截面為圓形(半徑r)的線性梁結(jié)構(gòu),采用空間梁技術(shù)對其網(wǎng)格進行劃分,其彈性模量參考姚輝[12]測出的60 000 MPa;將可膨脹的基體材料簡化為一種均質(zhì)的彈性體,采用8節(jié)點空間掃略實體技術(shù)對其進行網(wǎng)格劃分,模量為11 MPa。此外,根據(jù)實際情況選用綁定約束(Bonded)來表征纖維與基體的接觸關系。統(tǒng)一利用ANSYS軟件中的熱應力耦合分析模塊來模擬仿生材料的變形,即利用溫度應力場理論的有限差分法來分析濕度應力場問題[13]。模擬完成之后利用溫度場與濕度場產(chǎn)生的應變列等式(式(1)),得到不同濕度條件下有限元模型的變形結(jié)果。由于幾何非線性問題大大地增加了運算量和方程的收斂難度,綜合考慮之下,在賦予模型屬性時將基體材料的線膨脹系數(shù)及吸濕膨脹系數(shù)分別設定為0.08和0.5[14-15]。模型的初始溫度場設定為1℃,在之后的求解過程中每一個分析步溫度都會下降0.2℃。為了能讓方程順利收斂,還必須設定一個明確的邊界條件,所以將模型底面方向的自由度設定為零。

圖4 仿生復合材料有限元模型的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure schematic diagram of biomimetic composite finite element model

式中:α為材料在相應溫度下的線膨脹系數(shù);ΔT為溫度變化量;β為濕度線膨脹系數(shù);ΔθW是濕度變化量(體積含水量變化值)。另外,體積含水量與質(zhì)量含水量存在一定的轉(zhuǎn)化關系:

式中:W w是質(zhì)量含水量;θw是體積含水量;ρ為試樣干密度。 模擬結(jié)束后,查看各個方向(X、Y、Z)位移的變化量(分別標記為UX、UY、UZ),根據(jù)UZ的值探討軸向應變。至于模型的扭轉(zhuǎn)角,在模型上端面找出切向位移最大的節(jié)點后,利用該節(jié)點坐標值、UX、UY 及半徑值計算出模型變形后各個分析步的扭轉(zhuǎn)角度。

3 結(jié)果與討論

3.1 長度對仿生自驅(qū)動復合材料形變的影響

經(jīng)量化分析所得的不同長度仿生自驅(qū)動材料吸水扭轉(zhuǎn)結(jié)果如圖5所示。從圖5(b)可以明顯看出不同長度的材料產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)是不同的,長度越長,扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)就越多,但長度過長會使材料整體因承重太大而彎曲。趙徹[15]基于歐拉公式研究了長度對螺旋形纖維仿生材料整體力學性能的影響,其中長度為25 mm 時復合材料的強度明顯高于35 mm 和45 mm時的強度,得出長度會削弱材料強度的結(jié)論。因此,綜合考慮扭轉(zhuǎn)智能特性及材料強度,選擇長度為45 mm的模型進行麥芒細胞仿生設計。另外,從材料變形前后長度的具體數(shù)值可發(fā)現(xiàn),吸濕平衡后的模型長度基本為吸水前長度的1.5倍,因此便可利用材料的尺寸對其軸向變形情況進行預測和控制。

圖5 長度對仿生復合材料變形的影響Fig.5 Effect of length on the deformation of biomimetic composite materials (a)before the deformation;(b)after hygroscopic deformation

3.2 吸水時間對仿生自驅(qū)動復合材料形變的影響

將制得的仿生復合材料放入水中,用攝像機記錄它的變形情況。圖6為攝像機記錄的仿生復合材料吸水后的變形過程圖。從圖6中可以觀察到,仿生自驅(qū)動復合材料在基體不斷吸水及在螺旋式纖維引導下作扭轉(zhuǎn)變形運動。結(jié)合圖5的實驗結(jié)果說明了材料的軸向應變及扭轉(zhuǎn)角會隨著含水率的變化而變化。

圖6 仿生復合材料浸泡在水中后的變形過程Fig.6 Deformation process of biomimetic composite material immersed in water

對于此仿生自驅(qū)動復合材料的旋轉(zhuǎn)變形問題,首先可加入時間這一維度,探討樣品的扭轉(zhuǎn)角度隨時間變化的規(guī)律。不同仿生材料的旋轉(zhuǎn)角度隨時間變化的趨勢如圖7所示,圖中左上角標注的是細胞纖維的數(shù)量。從圖7中可以看出,仿生材料均具有較快的響應速率,在0到40 min內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度隨時間基本呈線性增加,擬合度均在0.99以上,40 min時仿生材料轉(zhuǎn)過的角度分別為148°、320°、385°、435°、475°。其擬合曲線中的斜率(分別為3.133、6.393、8.369、9.321、9.917)可定義為吸濕扭轉(zhuǎn)變形的速率,隨著細胞纖維數(shù)量的增加,扭轉(zhuǎn)速率表現(xiàn)出越來越快的趨勢,但速度的增加量(即斜率增加量)逐漸減少,具體原因還有待進一步研究。該試驗結(jié)果表明制得的仿生自驅(qū)動復合材料具備較快的響應速率和較大的形變尺度。

圖7 不同仿生復合材料的扭轉(zhuǎn)角隨時間變化的趨勢Fig.7 Trend of torsional angle of different biomimetic composites changing with time

3.3 含水率對仿生自驅(qū)動復合材料形變的影響

在上述分析的基礎上具體探討含水率對仿生復合材料形變量(軸向應變及單位長度扭轉(zhuǎn)角)的影響,這里以單細胞纖維仿生材料為例。為了與試驗值進行比較,建立了H=32.76 mm 的有限元模型。因篇幅有限,這里僅列出UZ在五個分析步的位移變化量(見圖8),需要說明的是,UZ值僅為該分析步內(nèi)的位移變化量,并不包含之前分析步的值,UX、UY 亦然。根據(jù)有限元輸出的各個方向(X、Y、Z)位移的變化量計算出模型的變形量,具體的有限元計算值及試驗值見圖9。圖9中的縱坐標為仿生復合材料的軸向應變及單位長度扭轉(zhuǎn)角。由圖9可知,材料軸向應變和單位長度扭轉(zhuǎn)角隨著含水率的增加而不斷增加,在整個含水率變化過程中,試驗中軸向應變最大值為29.99%,單位長度扭轉(zhuǎn)角最大值為0.057 rad/mm;而有限元模擬最大值分別為30.79%、0.062 rad/mm。有限元分析值整體上大于試驗值,這可能與模型簡化、接觸條件設置、網(wǎng)格劃分質(zhì)量等有關,有限元模擬與試驗過程真實情況還有一定的差別。但總體看來,模型變形值與試驗值相差不大,因此該有限元分析方法具備可行性,可利用該模擬方法對其他細胞纖維束仿生材料的吸濕變形進行分析。

圖9 含水率對仿生復合材料軸向應變和單位長度扭轉(zhuǎn)角的影響Fig.9 Influence of water content on axial strain and angle of twist per unit length of biomimetic composites

4 結(jié) 論

1.本研究以N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)為單體、亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑、四甲基乙二胺(TEMED)為催化劑成功制得智能水凝膠,在此基礎上,立足于野燕麥麥芒細胞的吸濕變形原理,制備出遇水能夠自發(fā)地作螺旋扭轉(zhuǎn)變形運動的仿生自驅(qū)動復合材料,這種材料具有較快的響應速率、較大的形變尺度等智能特性。

2.探討了長度對仿生自驅(qū)動復合材料形變的影響,結(jié)果表明材料長度越長,扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)越多,但長度過長會使材料吸濕后因承重過大而彎曲傾斜。對比了六組仿生復合材料吸濕前后的長度值,發(fā)現(xiàn)吸濕平衡后的長度基本為吸水前長度的1.5倍;分析了不同仿生材料的扭轉(zhuǎn)角度隨時間變化的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)仿生材料的扭轉(zhuǎn)角度基本隨時間線性增加,而且隨著細胞纖維數(shù)量的增加,變形速率呈現(xiàn)越來越快的趨勢。

3.在一定范圍內(nèi),仿生復合材料的軸向應變和扭轉(zhuǎn)角隨含水率的增加而增加,在整個含水率變化過程中,軸向應變及單位長度扭轉(zhuǎn)角的最大值分別為29.99%、0.057 rad/mm,而通過有限元計算得到的最大值分別為330.79%、0.062 rad/mm,有限元模擬結(jié)果與試驗值較為接近,表明所建立的有限元模型抓住了細胞扭轉(zhuǎn)變形運動的本質(zhì)特征,同時也說明測得的仿生自驅(qū)動復合材料吸濕變形結(jié)果的可靠性?；诒狙芯康慕Y(jié)論,有望可運用計算機技術(shù)來模擬和研究更為復雜的野燕麥麥芒仿生結(jié)構(gòu)的吸濕運動。