【科普】石墨烯凝胶造就“软体机器人”——石墨烯油墨打印高导电柔性电极

必发365登录入口2017年6月20日讯  软体机器人是一种新型柔韧机器人,可以仅用空气来驱动。此前科学家研究的软体机器人采用纸质和硅橡胶制成,能够弯曲、扭转和抓起自身重量100多倍的物体。软体机器人的设计灵感是摸仿人类的内部构造或昆虫的外形架构等,尤其是后者。

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【科普】石墨烯凝胶造就“软体机器人”——石墨烯油墨打印高导电柔性电极

不同于《星球大战》和《终结者》中的“金属机器人”,未来机器人将是柔软可变形的“软体”,与人类将越来越相像。这种灵活移动的软体机器人,能够爬行、扭动,并蠕动穿过坚硬、狭小的空间,应用极为广泛。目前科学家们研制出了一种新形式的可对近红外光响应的水凝胶,可以作为软体机器人的原料。这种材料由蛋白和弹性蛋白构成,其中还包含薄的石墨烯层。随着石墨烯在软体机器人材料领域再度突破,东宝生物(300239)、东方海洋(002086)、中国宝安(000009)等相关的蛋白和石墨稀上市公司值得关注。

材料是软体机器人发展核心

此前,大多数人听到“机器人”一词,便会想起金属人形生物。不过现在,科学家们开始在章鱼、海参、鱿鱼和毛毛虫等生物中寻找创作灵感,以此来创造“软机器人”。目前,科学家们研发出一种新形式的可对近红外光响应的水凝胶,将有助于实现软体机器人。这种材料由蛋白和弹性蛋白构成,还包含有薄的石墨烯层。合成蛋白在冷却后将吸收水,加热时,水便被释放。当石墨层积热量时,它们便获得近红外范围内的光。

研究人员称,将这些材料结合,能够复制植物细胞对光的响应过程。只有在这种情况下,这一过程才能更具控制性。由于凝胶材料并不能十分均匀地分布,因此材料便会向光源一方弯曲。这种效应已经在以一只手的形状存在的水凝胶证实,曝光于光一侧的手指水凝胶开始弯曲。

分析人士指出,许多机器人的关节是由可变形的材料制成,非常快捷和强大,但现有技术还不能生产出与自然界动物相媲美的野外活动能力的机器人。制造随意运动且能精确控制的软体装置难度极大,这就是为何至今机器人运动仍旧像机器人而不是活生生动物的主要原因。而石墨烯凝胶将可以为机器人开发柔软材料,在该领域形成突破。

软体机器人应用空间广泛

机械工程师常使用刚性金属材料制造机器人,但这类机器人通常分量重且昂贵,能执行的动作类型有限,还难以在复杂地形中行进。而灵活移动的软体机器人,能够爬行、扭动,并蠕动穿过坚硬、狭小的空间。

由于具备身体容易弯曲的优点,软体机器人应用极为广泛。比如,能进到狭小的空间进行监控,钻进人的身体提供医学影像或散布药物;能使许多危险手术更加安全,且疼痛减少;能去宇航员不能去的地方,比如为美国宇航局修理空间站;能够执行工业中需要弹性运动的更加复杂的任务;能够帮助进行危险环境的探查,如核反应堆和地雷探测;能够承担在拥挤空间里需要更加挤压的任务等。

美国麻省理工学院和哈佛大学曾开发一个软体机器人,使用了形状记忆合金制成的人造肌肉。它既柔软又坚韧,能像蚯蚓那样蠕动,却能在狠狠锤打下安全无恙。这种机器人最大的优点就是它的耐用性。由于没有气动泵、刚性的齿轮和电池,机器人能够熬过各种各样的袭击,这使它能满足一些军事应用的需求。

最近,机器人科学家的设计灵感已转向自然。哈佛大学团队开发的“软机器人”就是受到鱿鱼和章鱼等海洋生物的启发。这些以硅为基础的创作,不仅具有广泛的灵活性,也可以改变颜色。这种机器人会爬行、懂得伪装,并能避开红外线摄像机的追踪。

关注蛋白和石墨烯上市公司

鉴于软体机器人广阔的发展前景,作为其生产原料的蛋白和石墨烯公司值得关注,比如东宝生物、东方海洋、中国宝安等。

东宝生物(300239):公司成功研发出以双90优质骨明胶为原料、采用“酶解法”生产分子量集中分布于500-4000道尔顿且平均分子量在2300道尔顿左右的小分子量胶原蛋白技术,该技术已于2010年3月25日通过内蒙古自治区科学技术厅组织的省级技术鉴定以及“生产性试验鉴定”,并向国家知识产权局申请发明专利。目前已形成200吨/年的产能规模,募资项目投产产能将扩大至1200吨/年。1吨双90优质骨明胶加工为小分子量胶原蛋白,其价值将至少增加约3—4倍。公司小分子量胶原蛋白产品实现规模化工业生产,在该类产品技术指标方面与国外厂商的竞争站在了同一起跑线上。

东方海洋(002086):海水养殖业务已成为东方海洋主要利润来源,尤其是随着海参养殖达产、三文鱼养殖逐步达产,相关业务收入均呈快速上升趋势。其中,公司海参养殖毛利率保持在57.14%,利润稳定;三文鱼工厂化养殖技术已获得国家34项专利,正打开国内市场。随着三文鱼养殖产能逐步放大,其销售成为公司发展的重中之重。公司在鱼蛋白上的研究较深,集团公司的胶原蛋白钛已经上市。

中国宝安(000009):2013年5月3日公告,公司2013年4月28日收到“制备球状石墨烯的方法”的发明专利证书。本发明与现有技术相比,通过高温造粒或低温冷冻造粒加工,形成的石墨烯球结构均一,体积小,密度大,导电性能好,方便运输,可作为碳微球应用于催化剂载体,药物运输,锂离子电池以及超级电容器,通过超声处理即可使这种球状石墨烯分散为10层以下的石墨烯单体,保留了原有单体石墨烯的优良性质,便于应用于各种领域,安全性能高,可以连续制备生产,处理量可控可调,适宜大规模生产。

含石墨烯薄片油墨打印出高导电柔性电极电子“折叠时代”渐行渐近

近日,美国西北大学材料科学与工程学院的研究人员使用含有微小石墨烯的薄片油墨,以喷墨打印的模式,打印出导电性提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极,未来可用来生产低廉、可折叠且精美细致的电子设备。该研究成功发表在最新一期的《物理化学快报》上,而这个发明使得未来手机、电视、平板电脑的屏幕柔软的可以弯曲甚至折叠,这将彻底改变世界消费电子工业的版图。A股市场上,涉及石墨烯油墨概念的个股如乐通股份(002319)、金路集团(000510)、科斯伍德(300192)等公司有望获得发展机会。

可折叠电子设备渐成趋势

在今年美国消费类电子产品展(CES)上,可以弯曲甚至折叠的柔性显示屏,成为本次CES电子展的最大亮点。

LG和三星都展示了自己可以弯曲的OLED大屏幕电视,电视开始由长方形逐步变成“U”形,这种可弯曲的OLED面板增强了画面的景深效果,且电视变得薄如纸片。

不仅如此,三星还展示了一款屏幕可以弯曲的手机。三星抛弃了传统的玻璃屏,改用薄塑料制作,因而屏幕是可以弯曲的。当屏幕被盖住后,向下弯曲的屏幕部分可以显示文本、股票行情等信息。

这些柔性屏幕大规模的出现,让人们开始对未来的电子设备憧憬无限。如果未来手机的面板变成薄薄一块可以弯曲的屏幕,那么手机的形态将大大丰富起来,未来人们完全可以把手机像手表一样戴在手腕上。

事实上,美军已经率先将这种设想投入使用,他们不久前开发出了一种集成多种通讯能力的护腕式手机,由于屏幕可以弯曲,士兵可以将这种设备戴在手上,实时观看视频和图形信息。该显示器采用韩国LG Display公司开发的TFT面板,设备样机将很快交付美国陆军进行野战评估。

未来一旦柔性显示屏技术开始被市场接受,将进一步加速韩国厂商对上游关键零部件的控制。目前两家韩国公司,三星和LG Display在可柔性显示屏上远远领先于其它厂商。

据台湾拓璞产业研究所介绍,生产柔性面板本身最大的问题在于材料,柔性显示屏的最佳搭配背板是低温多晶硅(LTPS),但问题是,原来的屏幕通常是在玻璃背板上,而现在却要用到塑料板上。低温多晶硅需要高温耐火,这大大提升了其工艺难度。如果要做到更进一步可以随意弯曲、折叠,则需要在纳米材料上取得更大的突破。不过,如果这些技术走向成熟,还是将彻底改写世界消费电子产业的版图。

石墨稀油墨将解决折叠难题

近日,美国西北大学材料科学与工程学院研究人员使用含有微小石墨烯薄片油墨,以喷墨打印模式,打印出导电性能提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极,未来有可能生产出低廉、可折叠且精美细致的电子设备。该研究成果发表在最新一期《物理化学快报》上。

研究人员伊桑·西科尔解释道,喷墨打印可低成本、大面积地打印出柔性基底,是生产电子元件()的一个有吸引力的方法。新研究转向具有高导电性、化学性稳定的石墨烯,并希望石墨烯可作为油墨打印出电极。

石墨烯打印最重要步骤之一是获得大量的石墨烯。目前通过剥离生产纯净石墨烯的方法中,通常使用的溶剂和表面活性剂会留下残余物,从而降低其导电率。另一个问题是,小的石墨片对印刷稳定性的要求很高,且其大量片状交界处也降低了导电性。

为克服这些问题,研究人员开发出一种新方法,可在室温中使用乙醇作为溶剂和乙基纤维素作为稳定的表面活性剂,乙醇和乙基纤维素都不会产生残留物。新方法产生出的石墨烯黑色粉末中,石墨烯薄片的尺寸约为50×50平方纳米,厚度约为2纳米。研究人员把石墨烯黑色粉末分散到溶剂中创建液体墨汁。在演示中发现,石墨烯油墨在印刷中表现出优良的形态和导电性,打印的精确模式很适合印刷电极。上述机械性能的试验表明,石墨烯油墨在未来可被用于生产折叠式电子设备,包括智能电话、平板电脑、平板显示器和太阳能电池。

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