环球今亮点！从植物中获取灵感、具有巨大的应用潜力&ensp;<br>仿生理念助“金属含羞草”自由开合

• 2022-10-24 16:58:04 来源：

科技日报实习记者 孙明源

含羞草是一种有灵性的植物，它的叶片对触碰、温度都十分敏感。外部刺激可以改变含羞草叶片内部的水分分布，导致细胞收缩膨胀，进而影响其开合。如今，世界上有了一种特殊的“含羞草”，控制它开合的不是触碰，而是磁场。这种“含羞草”也不是植物，而是由我国科学家研发的新型金属玻璃制成。

近日，中国科学院物理研究所科研团队在国际学术期刊《科学进展》上发表论文，介绍了这种“金属含羞草”。它由金属玻璃和其晶化物组成的复合材料制成，具有屈曲功能，三维结构可开合。该论文作者，中科院物理所研究员白海洋告诉科技日报记者，这项被论文评审人称赞为“富有创造力”的成果，出发点其实是科研人员“玩出来”的灵感。

(资料图)

仿生是研究的交汇点

白海洋注意到，航天事业对可以自动开合的、平板式运输的材料有现实需求。如果容器或装置可以在太空中自主开合，将大大有助于太空运输以及航天员作业。基于这一设想，白海洋及其团队对可以自动开合、变形的材料进行了探索。

在这一过程中，科研人员并没有固守思维定式，把金属材料制品的形状局限在盒子等容器的范围内，而是充分尝试了植物、动物等其它形状。这样的尝试又进一步给了研究者灵感，让研究者获得了许多新启发。

“‘仿生’并不是我们研究的出发点，而是我们在探索过程中找到的交汇点。这个交汇点给了我们新的灵感。”白海洋说。

在机械等领域，仿生是一个热门概念。但在以机器人研究为代表的大多数科研工作中，仿生的对象都是运动能力较强的人或动物，而非相对静态的植物，金属材料的“植物动态仿生”研究可谓别出心裁，具有很强的独创性和探索性。

类似真正含羞草的开合原理

“金属含羞草”如何开合？白海洋和她的学生李金凤给记者做了演示：只要拿一块磁铁靠近“金属含羞草”的中部，它就会自动闭合，把磁铁拿开，“含羞草”又会张开。

“金属含羞草”由金属玻璃和其晶化物复合制成。金属玻璃又称非晶合金，是能实现形状可逆变化的新型功能材料，具有优异的力学性能。在经过激光图案化技术诱导处理之后，金属玻璃发生了局部晶化，晶化区的密度和模量相对增大，使得金属玻璃区和晶化区之间产生相应的尺寸错配，导致内部产生应力，从而发生屈曲现象。这种屈曲行为是可逆的、在弹性范围内的。由于是铁磁性材料，它会被磁棒吸引从而产生开合动作。从原理来说，这和真正的含羞草叶片开合的原理是十分相似的。

研究团队在实验室还对新材料的性能进行了测试。他们发现，在弹性极限内，铁基金属玻璃三维屈曲结构的形状变换由外部磁力控制可重复开合，甚至还可以通过外力重新成形或翻转。这种仿生三维结构被磁力控制连续开合至少20000次，且不会出现明显的疲劳裂痕。

或可在多领域广泛应用

在各种医疗场景中，人们有时会需要一些具有伸缩功能的器件。例如血液过滤时在血管当中收纳垃圾的器件，就需要具备伸缩功能，方便医疗人员放置和取出。为此，人们采用可以随温度变形的相变合金，这种金属经加温处理可以收缩或膨胀，但加温往往需要达到上百摄氏度。

“如果用磁场控制的金属玻璃取代相变合金，加温对患者可能造成的伤害就不存在了，医疗人员的操作也会变简单。我们的‘金属含羞草’就可以用于此领域。”白海洋介绍说。

白海洋补充说，除了血管过滤器，这种金属玻璃还可以用来制作血管支架、微夹持器等器件。此外，新材料还可以用于传感器制造。

近年来，材料的三维结构形状变换在驱动器、传感器、电感器、微电子机械系统、软体机器人、电子、医疗和航天器件等方面展现出巨大的应用潜力。金属玻璃的三维结构研究已经受到广泛关注，但金属玻璃仿生三维屈曲结构的形状变换尚有很大的开发空间。

白海洋总结说，此次研究对开发金属玻璃的功能性应用具有重要的科学和技术意义，对实现金属材料的三维屈曲结构也具有启发和指导意义。“仿生”并不是研究的起点，也并非落点，却给金属材料的功能性研究带来了许多启发。这株“含羞草”可以抛砖引玉，一定程度上拓展金属材料的应用空间。

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