天大主页 | 设为首页 | 添加收藏
首页 > 综合新闻 > 正文

天津大学封伟团队《Nature Communications》:仿生蒲公英光驱动软体微型飞行器

      2023-05-30       

本站讯(通讯员 杨言昭)飞行器在媒体及娱乐、公共安全、检查监控、农业优化、交通运输等领域有着十分广阔的应用前景。相比于传统飞行器,微型飞行器具有气动噪声小、机动灵活性强、仿生隐蔽性好等优点,因此受到了大家的广泛的关注。尽管微型飞行器在实际应用中有着独特的优势,但是受到续航时间短、飞行效率低等限制,因此目前实际应用并不广泛。在自然界中,蒲公英种子是飞行能力最强的种子之一。它在飞行过程中会产生一个稳定的涡环气流使其获得上升力,这种飞行方式是最高效的、最低能耗的。

受到蒲公英种子飞行的启发,天津大学封伟教授领导的FOCC团队近期报道了一种基于软物质材料的仿生蒲公英光驱动软体微型飞行器,该软体微型飞行器是由轻质、对温度和光具有超灵敏的软体致动器制备而成,它具有三维对称结构,在光照下可以从闭合状态转变成张开状态,增加了降落时的投影面积,从而良好地调控了降落速度。通过调控不同光照强度,软体微型飞行器可展现出不同的降落速度,这一策略极大的提高了微型飞行器降落的可控性。

众所周知,光能辐射会引起周围气流受热膨胀,导致气流上升运动。利用这一机理,当打开灯光时,三维结构对称的软体微型飞行器立即由闭合状态转变为张开状态并实现向上飞行。通过PIV流体力学实验,作者发现软体微型飞行器上部发现了稳定的涡环气流,该结构与蒲公英种子的涡环气流类似,使得飞行器在飞行过程中得到稳定的上升力。进一步研究发现,涡环气流与软体微型飞行器张开的角度成正相关,因此通过调节光强可以进一步控制涡环气流的大小并获得不同的上升力。值得一提的是,通过调控光强以及释放高度,软体微型飞行器最大的飞行高度和最长的飞行时间分别可达~350 mm和~8.9 s。研究表明,在制备微型飞行器过程时,裁剪软体致动器会出现小部分角度偏差,引起软体致动器向右或向左扭曲,因此微型飞行器在飞行过程中会产生一个水平方向的扭矩,导致软体微型飞行器的旋转运动。通过该发现,作者成功地利用材料结构编程实现了微型飞行器的飞行模式控制。

该成果在国际权威材料期刊《Nature Communications》上发表题为“Light-driven dandelion-inspired microfliers”的研究性文章。天津大学材料学院博士生陈原浩为论文第一作者,天津大学王玲教授和封伟教授为论文通讯作者。该研究受到国家重点研发项目和国家自然科学基金重点项目支持。

(编辑 赵晖 王敬蕾)