小型呆板人体系在医学行使、微掌管以及境遇配备方面供应能量输入和滚动，以实施强壮的事态更动或宣传。对待供应跳动、弹射或弹弓的刻板人作业，这些摆设常日供给在短年月（即短能量开释时刻）内开释能量，以迸发优裕的驱动力。这平常是始末能量扩展战略来告终的，在这种战略中，多量的动能是从预先留存的能量（譬喻弹功用或燃猜中的化学能）中迸发的。为了完结仿生能量扩大，供应修建一种新的能量扩张机制。

　　浙江大学Chengfeng Pan、香港华文大学Li Zhang、美国卡内基梅隆大学Carmel Majidi等人报告了一种工程化的积储应变能-开裂功率扩大方法，这种方法遭到Ecballium elaterium（喷发黄瓜植株）的加压流体喷发机制的煽动。本文告竣了一种光驱动的水凝胶发射器，它运用嵌入石墨烯悬浮液的光热应声触发的快速液体汽化。这种汽化导致边缘水凝胶辘集内可观的弹本能量生计，随后在0.3毫秒内缓慢开释弹功用量。这些软性水凝胶呆板人告终了高速可控发射，并具有可估计的轨道。累积应变能-开裂法子被用来创修一单个工喷发黄瓜，它可能将人工种子决裂到数米在外，始末集成的射频鉴别芯片进一步完成智能耕种。这种能量扩张政策为煽动四肢需要了基础，以扶直微型软体呆板人编制的身手。

　　弹路宣传是植物中一种极点的手腕，触及通过果实的爆炸性裂开将种子喷发到长间隔。比如，在喷发黄瓜的出现进程中（图1a），果肉会变成粘液状液体团，果壁会被拉伸（应变能堆集）（图1b(ii)）。当达驾临界压力时发生开裂（能量开释），使得种子无妨以高速度和加疾度发射出去（图1b(iii)）。

　　受这种能量增加手法的煽动，本文筑造了一种工程化的ASEF能量扩大方法版别，并进程一个软水凝胶发射器来树模，该发射器由嵌入共聚物水凝胶中的石墨烯组成（称为G-水凝胶）（图1c）。ASEF能量增加是进程嵌入石墨烯片的光热回声在高能光照下启用的。光照引起复关体在辐照区域内速疾加热，这是由于光热效应（在2秒内从20.3加热到136.5℃）。这反过来又引起水凝胶内的水从液态更动为蒸汽（图1c）。驱动通过如图1c所示，其关头阶段的快照由高速摄像机记实（图1c）。不断的光照射引起水的汽化，由于堆集的蒸汽压力导致水凝胶基质快快不停膨饱（图1c(ii),(iii)）IM体育，这与喷发黄瓜滋长进程中果壁的变形相对应（图1b(ii),(iii)）。

　　本文念虑了感动G-水凝胶发射器驱动力的要素，收集要素（石墨烯和水分含量）、光能输入（光强度）和若干想象（发射器尺度）。驱动力源委G-水凝胶发射器的笔直动作来表征。石墨烯的参加活泼光热剂，控制着近红外激光影响下热量的更动。石墨烯浓度影响水凝胶内里的水汽化，然后限制G-水凝胶发射器的力输出。如图2a所示，跟着嵌入的石墨烯含量从0.05增加到0.33wt%，由于更高的石墨烯浓度使得热能输入更大，然后加多了蒸汽膨饱满汽化区的强度，驱动力随之推行（图2a(i)）。但是，过多的石墨烯含量（0.43wt%）会导致驱动力扩展，由于石墨烯会阻挠近红外光并低浸其穿透深度。在这些境况下，本文查核到汽化发生在G-水凝胶发射器底部皮相专门热忱的场所。汽化的浅层深度导致水凝胶更速地开裂，这扩大了贮藏的弹功用量，然后导致驱动力补偿（图2a(ii)）。行使力传感器举办的直接力测量终归与关于发射高度的揣摸究竟趋势相同，且误差有限。根据此剖析，悉数人察觉供应着浸遴选光热剂的浓度，以均衡光热能量蜕变功率和近红外穿透深度之间的衡量。

　　呆板发挥证明：靠拢了大极限强度、高开裂应变和恰当耐性的水凝胶材料阐扬出更强的饱舞行为。这是来因如斯的材料应承贮存更大的弹功用量（U），这与G-水凝胶发射器的最大变形（w）和勉强刚度（D）正相关。在这项处事中，源委调理水分含量来定制G-水凝胶的呆板功用，源由少数的石墨烯含量浸染有限。图2b（插图）和代表性的应力-应变曲线c）发扬，较高的水分含量导致G-水凝胶具有较小的极限强度和较大的开裂应变，以及教养弹功用量储藏。即便汽化区的水凝胶质料性情与原始水凝胶差异，但由于汽化区体积小，一齐驱动进程的状貌以及弹功用量的预算不会遭到清楚感染。这些机械机能的测量导致输出驱动力随水分含量增加而先补偿后补偿。特别是，本文发眼前水分浓度约为65wt%时，实力抵达峰值（图2b）。

　　应当提神的是，图2b中显现的毕竟只能用于戳穿G-水凝胶质料的呆板功用与不同水分含量下G-水凝胶发射器的力输出之间的合连，来历这些衡量是在准静态应变率（0.05 s−1）和室温下举办的，这与G-水凝胶材料在驱动时刻的组织条件（超快应变率，1,000 s−1和高达100℃的高温）有很大别离。本文还忖量了G-水凝胶材料在共同条目下的呆板作为，并发觉了衰减的呆板功用，如低沉的开裂强度和应变。

　　除了笔直发射外，根据ASEF的G-水凝胶发射器还可用于制作或许按预订轨道行为并将运输到指定方位的水凝胶基软呆板人。如图3a所示，两个G-水凝胶发射器嵌入在一个原始水凝胶块中。根据该道理可想象一种软水凝胶呆板人，它能够遵照影响哪个发射器朝两个差异方案发射（图3b）。本文为每个宗旨发射了12个呆笨人，并记载了它们的降下职位（图3c）。成果显现相等的下降方位，依据或许极限跳动行为。这种战略或许填充到多目标呆板人，如图3d,e（插图）判袂展示的带有三个和四个G-水凝胶发射器的水凝胶滞板人。记载的反响下降声望（图3d,e）进一步出现了在不合方进步的受控跳动。

　　为了展示这种根据ASEF的G-水凝胶发射器在呆板人运用中的潜力，本文着手构修了一个工程化的Ecballium elaterium版别来师法种子宣称进程（图4a）。如图4a中的示贪心所示，G-水凝胶发射器被开发并组装在一个3D打印的半通后树脂壳内，该壳体被安排在植物的枝条上。此后，将15颗黑色玻璃珠刺进G-水凝胶发射器的顶部以仿效种子。这种人工的E. elaterium通过近红外影响高速喷发玻璃珠。纪录这些玻璃珠的降下位子以说明工程化E. elaterium的驱动功用。

　　正如图4b所示，本文清楚了五次驱动试验中杰出96%的珠子发射成功率。代表性的下降位置计算出现最大发射位移为5.3米，对应的腾飞速度为5.95米/秒。这种仿生高速种子宣传说明，G-水凝胶发射器或许成婚天然动力增加机制的力气和加速度（图4c-e）。此外，短年光光阴泄漏于高温蒸汽不会熏陶牢靠种子的发芽率。这种受生物宣传的种子处理安装能够始末在种子和G-水凝胶发射器之间推行一个热阻隔板来进一步改造，以防卫高温蒸汽的感染，一起不感染投射功用。

　　本文开发了一种光驱动的能量扩张手法，它运用了共聚水凝胶收集的弹性与嵌入石墨烯的光热呼应引起的水蒸汽化之间的联合相互教养。这种软水凝胶发射器能够举办ASEF促进，具有可控的弹射和自愿射行为举动，其特性是具有格外高的起飞加速度（2.5 × 104 m s–2；2,500g）、发射高度（643 BL，1.93 m）和超短能量开释时光（0.3 ms）。材料组织设计的纽带含义是拣选一种靠拢高耐性、高弹性并与光敏填料掺杂以告竣快快汽化改动的基质。除了所选的G-水凝胶质料体系外，本文还列出了材料采选的潜在候选者。本忖量团队测度这些材料想象规则将供应对能量扩大机制的进一步定见，并激发在供给快速行为、跳动或在规则间隔上发射物体的周围中的新想象。

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　　原问题：《【复材资讯】浙大/香港中文协作石墨烯新操作，Nature Materials！》

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