现在,科学家们展示研究成果的方式是越来越魔性了。在3月4日的《科学》上,就出现了一只诡异的小“蠕虫”,它一边扭动前进,还一边闪着彩灯:拱啊拱啊拱啊走你……其实,这是康奈尔大学谢泼德(Shepherd)课题组展示的研究成果——一种柔软的发光新材料。
柔软、Q弹,还能发光。传统机器人大多是硬汉形象。而柔软材料,特别是可延展材料的引入,会给机器人们带来更多方面的可能性。柔性材料不光要“能屈能伸”,它们最好要还有足够的延展性,被拉伸或揉捏时也不损坏,而且用在机器人身上的柔性材料还要能够完成一系列任务,比如说作为“人造皮肤”来感知外界的刺激,用发光来传递信息等等。
以往,我们已经有了一些柔性材料,比如可以让显示屏由直变弯的有机发光二极管(OLED)。不过,它还是有一些不足之处。LED型材料的弹性和延展性还是很低,最好的记录也只能延伸1.2倍。能不能做出一种更柔软、更有弹性、可拉伸又有功能的新材料呢?这一次,研究者们就设计出了一种特殊的“发光皮肤”材料,而上图中诡异的“发光蠕虫”,就是对这种新技术的演示。
这种材料十分Q弹,任人蹂躏也不会损坏,依然可以保持发光稳定。在外力的作用下,研究者们甚至可以把这些柔软的发光元件拉伸到原来长度的4.8倍,此时,它们还可以继续发光。如果把一个个发光元件组合起来,它们还可以组成发光阵列,并且依然表现优异。通过电路的控制,可以很容易地调控发光点阵显示的图样,而且在研究者们的一番揉捏、拉伸、折叠之下,光点依然稳如泰山。
这些软软的发光元件是怎么做出来的?
它其实是用多层材料叠加而成的“三明治”结构,由硅树脂、聚丙烯酰胺-氯化锂水凝胶和硫化锌硅树脂等组成。硅树脂是一种兼具延展性和透明性的绝缘材料,而掺入硫化锌还能使它变成发光元件,在交流电场的作用下发出荧光。而聚丙烯酰胺-氯化锂水凝胶会构成导电夹层,为施加电压留下了通路。
通过对发光成分的调整,还能得到不同的发光颜色:掺入质量分数为0.01%的铜,可以显出绿色;掺入0.1%的铜,则显现为蓝色;而如果掺入1%的锰,就会显现出黄色。
除了Q弹和发光,这种三明治夹层还有一个特别之处:它可以响应外界压力,并从不同强度的光反映出来。如果用手指戳一下柔性材料,戳得越用力,局部的拉伸程度越大,发光也就会变得越强。这是由于,在材料伸展时会整体变薄,电容层中的间距会变小。保持电压不变的情况下,会使电场增强,所以场致发光也会增强。虽然发光夹层的延展会使得其中硫化锌的密度变低,不过这个影响比较小,因此随着发光夹层的延展,亮度会随之提高。
把这些特性综合起来,就得到了开头我们看到的那只魔性的“蠕虫”。研究团队从上至下以此将四层发光夹层材料和两层气动夹层组合在一起,就得到了这条七彩炫光小蠕虫。通过气动夹层的充气放气,小虫子蠕动前进,它身上的光亮也随着充气程度的变化明暗闪烁。在目前的研究阶段,该材料还存在发光亮度不够高、使用电压较大等不足。不过相信随着技术的改进,这只Q弹的硅树脂“小虫”还能在更多领域得到应用。
说不定,它将来就会成为机器人们身上的“皮肤”呢。