环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统技术方案

本发明专利技术提供一种环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，所述仿生智能人工植物由仿生茎、仿生枝和仿生叶构成，在无光照情况下，该植物呈现紧凑的二维或者三维结构，其中仿生茎垂直竖立，仿生枝和仿生叶分布在仿生茎上，形成近似二维平面排列或者三维立体结构。在光照刺激下，植物的不同器官表现出不同类型的光刺激响应运动，包括向光运动、背光运动和光驱动扭转运动。仿生智能人工植物还能根据入射光的方向和强度自适应地调整三维层次结构，这种自适应和自主的三维变形智能的应用对于增强人工光合作用和太阳能收集、太阳帆在空间站和宇宙飞船中的应用，以及自调节光学器件等尖端技术的发展具有重要的推动作用。件等尖端技术的发展具有重要的推动作用。件等尖端技术的发展具有重要的推动作用。

【技术实现步骤摘要】
环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统


[0001]本专利技术涉及智能仿生材料
，特别涉及一种环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统。

技术介绍

[0002]仿生学和仿生学方法正在革新机器人技术的多个领域，使得机器人能够在与环境互动时展现出适应性、敏捷性和灵活性。当前，机器人
已经涌现出众多仿生动物机器人的实例，这些仿生动物机器人可以模仿各种动物的形态和行为。然而，在仿生植物领域的机器人方面的研究却非常少，仅有部分受到植物根系感官行为、运动和渗透驱动的启发的例子。而仿生植物的研究是很有意义的，自从达尔文以来，人们已经认识到植物能够对环境刺激(如光、化学物质、湿度、重力、电场、温度或触摸)做出多种类型的运动反应，有时候这些反应的时间尺度非常迅速，范围可以从毫秒到秒级。若是在合成软活性材料系统中实现类似真实植物在光刺激下的自适应和动态运动将对许多尖端技术的发展具有重要意义，例如增强的人工光合作用和太阳能收集、空间站和宇宙飞船的太阳帆、自调节光学器件等。
[0003]在智能生物材料系统中，植物可以针对不同的太阳辐射条件对其不同器官进行独特的适应性和动态运动，从而实现自我调节的三维层次结构。通常，植物的光响应运动分为三类：(1)向光运动：植物器官向光源方向定向移动；(2)背光运动：植物器官向远离光源方向定向移动；(3)光致运动：植物器官在光照照射下发生形态和定向变化，与光源的方向无关。植物中的不同器官(例如，茎、枝、叶柄)具有不同类别的光诱导植物运动，从而产生响应植物器官的不同空间方向，并导致自适应三维层次结构。然而，现有的人造智能材料系统主要表现出光子运动，很少表现出向光运动，即使表现出向光性也仅限于单一的向光性，目前没有发现任何一种合成活性软材料系统能够本质上响应和展示真实植物所表现出的所有三类光诱导运动。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，通过组装具有不同螺旋纤维缠绕角度的管状柔性执行器制备得到仿生智能人工植物系统，该仿生智能人工系统可在光刺激下产生所有三类光诱导运动，包括向光运动、背光运动以及与光源入射方向无关的光致扭转运动，能够在光刺激下实现环境自适应、自动化响应变形的效果。
[0005]为实现以上专利技术目的，本技术方案提供一种环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，包括：
[0006]由光刺激响应管状柔性执行器制备得到的仿生茎、仿生枝和仿生叶，所述仿生叶同仿生枝相连后分布在仿生茎上，其中所述光刺激响应管状柔性执行器由刺激响应形变高分子纤维以螺旋缠绕成三维结构制备得到，当所述刺激响应形变高分子纤维的缠绕角取不同值时所述光刺激响应管状柔性执行器产生不同光响应形变行为。
[0007]在一些实施例中，所述仿生智能人工植物系统在没有光刺激的状态下呈现二维结构或者三维立体结构，在刺激的状态下所述仿生茎、所述仿生枝和仿生叶展示出不同的光响应形变行为，产生环境自适应的三维开放层次结构。换言之，所述仿生智能人工植物系统在初始状态下为紧凑的二维平面结构或者三维立体结构，在光刺激下产生定向运动进而形成环境自适应的三维开放层次结构。
[0008]当所述仿生智能人工植物系统处于二维结构时，所述仿生茎直立，所述仿生叶和所述仿生枝线性分布在所述仿生茎的一侧。此时所述仿生智能人工植物系统属于紧凑的二维平面结构。
[0009]当所述仿生智能人工植物系统处于三维开放层次结构时，所述仿生枝和仿生叶展示出不同的光响应形变行为，其中所述光响应形变行为包括向光运动、背光运动以及光驱动扭转运动的一种。且所述仿生智能人工植物系统在不同方向的入射光的照射下展示出不同的光响应形变行为，以产生环境自适应、自动化响应变形的三维开放层次结构。
[0010]在一些实施例中，所述刺激响应形变高分子纤维与光刺激响应管状柔性执行器的中轴方向形成缠绕角，当所述缠绕角大于或等于0
°
小于第二临界值时，所述光刺激响应管状柔性执行器在光刺激下向光运动；当所述缠绕角大于第二临界角小于或等于90
°
时，所述光刺激响应管状柔性执行器在光刺激下背光运动；当所述缠绕角不等于0
°
或90
°
时，所述光刺激响应管状柔性执行器还可以做与光线入射方向无关的光致扭转运动，扭转角的范围为0～500
°
/cm。当缠绕角等于0
°
或者90
°
时做单纯的向光运动和背光运动，只要缠绕角不等于0
°
或者90
°
时，所述仿生智能人工植物系统在向光运动或者背光运动的同时做光致扭转运动。
[0011]三维管状柔性执行器的不同变形行为源于螺旋排列的活性纤维结构单元和各向异性变形，可以看作是螺旋排列的纤维单元变形的叠加效应。纤维单元在其纵向方向上收缩并在其径向方向上膨胀。与生物肌肉静水压肌纤维的重要力学特征类似，活性纤维在变形时保持体积不变，也即是说，一维的纤维在任意一个方向上的减少都会在另一个方向上得到补偿增加。在光刺激或温度变化时，沿纤维方向的收缩应变(ε
C
)可以分解为两个正交分量，一个沿着三维管状柔性执行器的轴向，另一个沿着圆周方向；同样的，纤维单元的径向膨胀应变(ε
E
)也可以分解为两个正交分量。因此，三维管状柔性执行器的轴向变形的总应变(ε
L
)可以描述为纤维单元收缩应变的膨胀应变相应分量的叠加，可以表示为ε
L
＝ε
E sinθ+ε
C cosθ，而圆周方向的总应变(ε
P
)可以表示为
[0012]ε
p
＝ε
E
cosθ+ε
C
sinθ。
[0013]通过计算发现了三维管状柔性执行器的变形存在两个临界角，当缠绕角等于第一临界角或第二临界角时，沿圆周方向的应变(ε
P
)和沿轴向应变(ε
L
)分别为0，这意味着当缠绕角等于第一临界角时，三维管状柔性执行器在刺激响应形变时保持直径不变；当缠绕角等于第二临界角时，三维管状柔性执行器在刺激响应形变时保持长度不变。因此，三维管状柔性执行器的变形模式随纤维缠绕的角度的变化而变化。当缠绕角大于0小于第一临界角时，三维管状柔性执行器沿其长轴收缩并沿其圆周方向扩张，同时产生扭曲变形。当缠绕角接近或等于第一临界角时，三维管状柔性执行器可以保持其周长不变，同时产生缩短和扭曲运动。当缠绕角大于第一临界角小于第二临界角时，三维管状柔性执行器开始在圆周方向和轴向收缩，表现出轴向缩短以及径向缩短形状变化。当缠绕角接近或等于第二临界角
时，三维管状柔性执行器的纵向长度可以保持不变，同时三维管状柔性执行器在其圆周方向上同时产生扭曲运动和收缩。当缠绕角大于第二临界角小于90
°
时，三维管状柔性执行器沿其纵向伸长，同时沿其圆周方向收缩。通过临界纤维缠绕角(0...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，其特征在于，包括：由光刺激响应管状柔性执行器制备得到的仿生茎、仿生枝和仿生叶，所述仿生叶同仿生枝相连后分布在仿生茎上，其中所述光刺激响应管状柔性执行器由刺激响应形变高分子纤维以螺旋缠绕成三维结构制备得到，当所述刺激响应形变高分子纤维的缠绕角取不同值时所述光刺激响应管状柔性执行器产生不同光响应形变行为。2.根据权利要求1所述的环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，其特征在于，所述仿生智能人工植物系统在没有光刺激的状态下呈现二维结构或者三维立体结构，在刺激的状态下所述仿生茎、所述仿生枝和仿生叶展示出不同的光响应形变行为，产生环境自适应的三维开放层次结构。3.根据权利要求1所述的环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，其特征在于，所述刺激响应形变高分子纤维与光刺激响应管状柔性执行器的中轴方向形成缠绕角，当所述缠绕角大于或等于0
°
小于第二临界值时，所述光刺激响应管状柔性执行器在光刺激下向光运动；当所述缠绕角大于第二临界角小于或等于90
°
时，所述光刺激响应管状柔性执行器在光刺激下背光运动；当所述缠绕角不等于0
°
或90
°
时，所述光刺激响应管状柔性执行器做与光线入射方向无关的光致扭转运动。4.根据权利要求1所述的环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，其特征在于，所述仿生茎由两个不同缠绕角的管状柔性执行器构建得到，所述仿生茎的下部采用背光运动的管状柔性执行器制备得到，所述仿生茎的上部采用向光运动的管状柔性执行器制备得到。5.根据权利要求4所述的环境自适应、自动化响应变形的仿生智能人工植物系统，其特征在于，所述仿生茎的上部的缠绕角大于或等于20
°
且小于第二临界角，所述仿生茎的下部的缠绕角的缠绕角大于第二临界角且小于或等于90
°
。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕久安，胡志明，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：