• Оригами
• графеновая бумага
• носимое устройство
• самосворачивающееся

ВВЕДЕНИЕ

Оригами, древнее искусство складывания бумаги, вдохновило на создание различных самосворачивающихся структур и устройств для современных приложений, в том числе удаленных. управляющая робототехника ( 1 , 2 ), микрофлюидно-химический анализ ( 3 ), тканевая инженерия ( 4 ) и искусственные мышцы ( 5 ).Самосворачивающиеся конструкции быстро появляются на переднем крае научных и технологических инноваций из-за их способности выполнять запрограммированные движения складывания / раскладывания без кинематического манипулирования внешними силами или моментами ( 6 ).

Активные материалы, которые преобразуют другие формы энергии в механическую работу для выполнения операций складывания и раскладывания, необходимы для создания самосгибающейся конструкции ( 7 , 8 ). Предыдущие исследования активных материалов в основном были сосредоточены на полимерах, включая гели ( 9 ), жидкокристаллические полимеры ( 10 ), полимеры с памятью формы (SMP) ( 11 ) и сопряженные полимеры ( 12 ).Свойства этих материалов реагируют на раздражители окружающей среды (pH, температура, растворитель, влажность, электричество и свет), что приводит к изменению их формы ( 13 ). На сегодняшний день для самосгибания полимеров используются три основных механизма: (i) релаксация SMP, (ii) складывание гибридных полимерных бислоев с вертикальной неоднородностью или узорчатых пленок с латеральной неоднородностью, вызванной различной деформационной способностью каждого компонента, и (iii) сворачивание однокомпонентных плоских полимеров путем применения градиентов поля к однородным структурам или нерадиационных стимулов к градиентным структурам.Хотя это могут быть эффективные подходы, они все же сталкиваются с рядом практических проблем. Что касается подхода (i), SMP ограничены количеством временных форм, которые могут быть запомнены в каждом цикле памяти формы, и возможностью настраивать температуру (температуры) перехода с памятью формы для целевых приложений ( 14 ). С учетом подхода (ii) недостатком полимерных мультислоев является их низкая стабильность. Несколько компонентов не расширяются / сжимаются равномерно, что вызывает проблемы с интерфейсом.Этот подход также обычно требует подключения проводов и схем ( 15 , 16 ), которые не подходят для удаленных приложений. Между тем, для подхода (iii) как изготовление градиентных полимерных пленок, так и генерация полей градиентных стимулов являются сложными, даже несмотря на то, что это общая стратегия для получения самосворачивающихся однокомпонентных полимеров. Также трудно использовать этот вид самосгибающегося полимера для создания движущихся или поворачивающихся структур. Кроме того, такие структуры обычно работают в нефизиологических условиях [например, температура> 100 ° C ( 17 ), органический пар, опасное напряжение ( 15 ), химическая реакция ( 18 ) и кислотно-щелочной раствор ( 19 )], а в других случаях их срабатывание происходит медленно, от нескольких десятков секунд ( 20 ) до нескольких минут ( 21 ) или даже необратимо ( 22 ).

Несмотря на то, что они имеют ценность в определенном контексте, существующие дизайны, вдохновленные оригами, еще не соответствуют требованиям для практического использования. Поэтому фундаментальное и практическое значение имеет изучение альтернативных подходов к реализации самоскладывающихся структур. Совсем недавно были предсказаны графеновые наноклетки, вдохновленные оригами ( 23 ), что раскрывает перспективы использования графена в качестве материала для создания самосгибающихся машин или роботов. Графен можно рассматривать как двумерный (2D) активный полимер ( 24 ), но он намного прочнее и универсальнее, чем традиционные полимеры ( 25 ).Чтобы соответствовать условиям эксплуатации самосвертывающихся устройств и другим требованиям приложения, необходимо перевести активные свойства отдельных графеновых листов в макромасштаб. Обнадеживает то, что графеновые нанолисты использовались в качестве наноразмерных строительных блоков для создания различных видов трехмерных сборок ( 26 , 27 ). Чувствительные к стимулу гидрогелевые, бумажные и волокноподобные макроскопические графеновые материалы (MGM) легко доступны ( 28 , 29 ). MGM очень сильно поглощают свет в широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного (ИК) длин волн, что должно способствовать использованию световой энергии для выполнения фотомеханического преобразования работы.Из-за сильных π-π взаимодействий между слоями графена MGM не содержат нестабильных интерфейсов; следовательно, они могут быть сверхэластичными и гибкими, а также механически прочными ( 26 ). Однако на сегодняшний день запрограммированное самосвертывание и движения графена на макроуровне все еще сложно реализовать. Другими словами, хотя это и рассматривалось, макромасштабное графеновое оригами в значительной степени не исследовано.

Здесь разработана самосгибающаяся графеновая бумага мгновенного действия с запрограммированной двойной градиентной (вертикальной и поперечной) структурой для решения многих проблем, с которыми сталкиваются само складывающиеся структуры, описанные выше.То есть мы используем наноразмерные строительные блоки из оксида графена (GO) с функциональной конструкцией для изготовления самосгибающейся цельнографеновой бумаги, которая представляет собой как однокомпонентную градиентную структуру, так и функциональное устройство, демонстрирующее три возможности: (i) создание заранее заданных форм. , (ii) ходьба и (iii) поворот. Работой этой бумаги можно дистанционно управлять путем воздействия слабого света или тепла.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изготовление и характеристика самосгибающейся графеновой бумаги

МГМ в виде бумаги с вертикальным и поперечным двойным градиентом (рис.S1) были получены фильтрованием растворов GO и GO – полидофамина (PDA). Чистый раствор ГО синтезировали по модифицированной методике Хаммерса ( 30 ). Раствор GO-PDA был получен путем самополимеризации смеси GO-допамина (DA) (см. Рис. 1A и материалы и методы). Изображения, полученные с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), показали, что после полимеризации DA, PDA агрегировался на поверхности GO. Толщина монослоя GO-PDA увеличилась с 1,5 до примерно 5 нм. DA обычно используется для восстановления GO с образованием восстановленного GO (rGO) ( 31 ).Однако здесь мы обнаружили, что определенное количество DA, полимеризованного на нанолисте GO, может защитить GO от химического восстановления. После процесса фильтрации с использованием маски (см. Фиг. 1B и «Материалы и методы») полученную бумагу с двойным градиентом GO восстанавливали водоводородной кислотой (HI) и тщательно промывали в лабораторных условиях окружающей среды ( 32 ). Благодаря защите, обеспечиваемой КПК, область GO, покрытая поликарбонатной (ПК) маской, оставалась гидрофильной с краевым углом (CA) около 43.1 °, тогда как другие области стали гидрофобными (CA = 93,4 °) и изменили цвет с черного на блестящий металлический блеск. Рентгеновские фотоэлектронные спектры (XPS) области маски показали сильный пик при 285,2 эВ, который был отнесен к связи C – N, что указывает на прививку PDA на листы GO (рис. S2). Отношение C / O составляло всего 3,62, что указывает на то, что содержание GO в области GO-PDA не снижалось. Напротив, без защиты PDA, GO в других регионах эффективно восстанавливается с образованием rGO, а отношение C / O увеличивается до 7.81. Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) и спектры комбинационного рассеяния согласуются с приведенными выше результатами (см. Фиг. S3 и S4, соответственно).

( A ) Схематическое изображение синтеза GO-PDA. АСМ-изображение и профиль высоты GO (слева) и GO-PDA (справа), нанесенных методом центрифугирования на кремниевую пластину (масштабная линейка, 1 мкм). ( B ) (I) Схематическое изображение процесса фильтрации с помощью маски (масштабная линейка, 2 см).(II) СЭМ-изображения поперечных сечений областей GO-PDA / rGO и rGO после восстановления с помощью HI (масштабная линейка, 1 мкм). (III) Измерение СА поверхности GO-PDA / rGO (43,1 °) и поверхности rGO (93,4 °) двухградиентного MGM.

КПК, привитый на нанолисте GO, не только защищал его от восстановления, но также образовывал перекрестные связи между нанолистами GO как в областях GO-PDA, так и на границе между областями rGO и GO-PDA ( 31 ). В результате GO-PDA находился в тесном контакте с нижележащим rGO, как показано на изображениях сканирующей электронной микроскопии (SEM) на рис.1B и рис. S5. Эффект сшивки PDA увеличивает гравиметрическую прочность на разрыв интегрированной бумаги GO-PDA / rGO по сравнению с бумагой rGO (рис. S6). Эти результаты показывают, что произведенная здесь графеновая бумага была механически прочной и стабильной.

Механизм самосгибания графеновой бумаги с двойным градиентом

В MGM с двойным градиентом область GO-PDA могла легко адсорбировать / десорбировать молекулы воды в ответ на влажность, температуру или свет окружающей среды, что приводило к набуханию / усадка листов ГО ( 33 ).Напротив, rGO был инертен по отношению к молекулам воды. Учитывая такое поведение вместе с превосходными фототермическими свойствами rGO и GO ( 34 ), а также его высокую гибкость и механическую прочность, эта графеновая бумага имеет большой потенциал для применения в фотореактивных приводах. На рис. 2А показан приводной механизм графеновой бумаги, что хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями. Изгиб / разгибание MGM было вызвано различными способностями к абсорбции / десорбции воды GO-PDA и rGO.Области GO-PDA, состоящие из гидрофильных листов PDA и GO, обладали большой способностью поглощать / десорбировать воду при повышении / понижении температуры. Напротив, гидрофобные области RGO были инертны к изменениям температуры. Различие в абсорбционной / десорбционной способности привело к несоответствию в расширении / сжатии областей GO-PDA и rGO при изменении температуры окружающей среды. В результате объем области GO-PDA изменился (рис. S7, A и B), и возникло межфазное напряжение, вызывающее изгиб / разгибание MGM (рис.2А). Зависящие от времени изменения веса MGM при включенном / выключенном облучении и спектры ослабленного полного отражения (НПВО) –IR (рис. S7, C и D) могут быть дополнительными проверками этого механизма. На рис. 2В показано, что бумага также была очень светочувствительной. Плоский, отдельно стоящий MGM начал изгибаться сразу после облучения светом ближнего ИК-диапазона (NIR), изгибаясь почти до 60 ° в течение 2 с. После выключения света пленка восстанавливала свою первоначальную форму в течение 3 с при относительной влажности 40%.Также было обнаружено, что скорость восстановления увеличивается с увеличением относительной влажности (как показано на рис. S8). Регистрировали углы изгиба (θ) и изменения температуры бумаги во время этого процесса. Две кривые очень хорошо совпадают, что подтверждает, что изгиб инициируется фотоиндуцированным теплом. Некоторые свойства (микроструктура и макропроизводительность) графеновой бумаги могут претерпевать изменения, но, в отличие от большинства полимеров, здесь нет критических условий перехода, что значительно упрощает работу с ними.На рис. 2С и рис. S9 показывает θ графеновой бумаги как функцию интенсивности света. Облучение бумаги в течение 2 с с использованием света ближней инфракрасной области с интенсивностями 50, 100, 150, 200 и 250 мВт / см ^-2 дало θ 169 °, 141 °, 89 °, 40 ° и 0 °, соответственно.

( A ) Схематические изображения структур и механизмов графеновой бумаги. Если нет ближнего инфракрасного излучения, область GO-PDA / rGO сглаживается.Плоская, отдельно стоящая область GO-PDA / rGO начинает изгибаться сразу после воздействия излучения ближнего инфракрасного диапазона. Этот механизм изгиба / разгибания полностью обратим в течение многих циклов. ( B ) Серия оптических изображений, показывающих процесс активации света MGM (100 мВт · см ⁻² ) (масштабная линейка, 3 мм). Угол изгиба как функция времени при включении (период, 8 с) и выключении (период, 12 с). ( C ) Зависимость угла изгиба от интенсивности освещения (масштабная линейка, 5 мм).

Поведение графеновой бумаги при срабатывании программируется. Самосворачивающаяся коробка была сделана из графеновой бумаги (как показано на рис. S10). Как показано на рис. 3A и видеоролике S1, крестообразный кусок графеновой бумаги сложился в коробку за 200 мс под ближним инфракрасным светом. Затем, когда ближний инфракрасный свет был выключен, коробка развернулась обратно в свою первоначальную крестообразную форму. Чтобы выяснить лежащий в основе фототермический механизм самосгибания, мы использовали инфракрасную камеру для измерения изменений температуры бумаги в реальном времени при облучении светом.На рис. 3В изображен температурный профиль самосвертывающейся коробки при включении и выключении света, что подтверждает, что самосвертывание инициируется фотоиндуцированным теплом.

( A ) Временные профили самосгибания крестообразного листа бумаги при облучении ближним инфракрасным светом и без него. Образец помещали на платформу и освещали БИК-светом (100 мВт · см ^-2 ) перпендикулярно его поверхности (свет падает сверху).( B ) ИК-изображения самосвертывающейся коробки со световым освещением и без него (100 мВт · см ⁻² , свет в ближнем ИК-диапазоне).

Шагающий механизм графеновой бумаги

Мы исследовали взаимосвязь между θ и конечным выходным напряжением ( F ₀ ) двухслойной структуры в зависимости от ширины слоев GO-PDA. Серии линий GO-PDA разной ширины ( L ) были нанесены на пленки rGO с использованием нашего подхода (рис. 4A). Создаваемое напряжение этих MGM измерялось с помощью универсальной испытательной машины ( 35 ).Образцы нарезали одинакового размера (8 × 10 мм), зажимали и предварительно нагружали напряжением 0,01 МПа, чтобы они оставались плотными и прямыми. БИК-свет (250 мВт · см ^-2 ) использовался для облучения MGM. На рисунке 4B показано, что напряжение, создаваемое MGM (с 6-миллиметровыми линиями GO-PDA), превышает 44 МПа после определения предварительного напряжения (рис. S11 и S12). Это почти на два порядка больше, чем у скелетных мышц млекопитающих (0,35 МПа) ( 36 ). При лазерном облучении (200 мВт / см ⁻² ) MGM с 3-миллиметровой линией GO-PDA (1 мг) может деформироваться и поднять груз массой 120 мг (титановая фольга) на 7 мм в пределах 3.2 с (рис. S13). Максимальная эффективность преобразования энергии во время сжатия составила 1,8% (см. Примечание S1). Эта эффективность привода сравнима с эффективностью полимерных мускулов и коммерческих металлов с памятью формы ( 17 ). Плотность мощности была рассчитана и составила 2,6 Вт кг ^-1 (см. Примечание S1), что сопоставимо с удельной мощностью заявленного полимерного актуатора, срабатываемого влагой (2,5 Вт кг ^-1 ) ( 36 ). Надежность и стабильность его работы были дополнительно проверены путем включения / выключения света ближнего ИК-диапазона.После 500 циклов образец сохранил 90% своей выходной нагрузки (рис. S14).

( A ) Схема изготовления шагающего устройства. ( B ) Максимальное выходное напряжение (черные точки), угол изгиба (синие точки) и теоретический угол изгиба (пунктирная красная линия) как функция ширины GO-PDA. ( C ) Иллюстрации движений устройства при ходьбе и механическая модель, используемая для описания поведения при ходьбе ( L ′, L ″ и L ‴ — это ширина трех разных линий GO-PDA. ; F ‘, F ″ и F ‴ — напряжение, создаваемое тремя разными линиями GO-PDA; M ′, M ″ и M ‴ обозначают изгибающий момент относительно центральной ось.β ₁ и β ₂ — углы между MGM и горизонтальной плоскостью). ( D ) Модель, описывающая поведение при повороте, управляемое светом.

Напряжения, создаваемые линиями GO-PDA, увеличились с L , демонстрируя приблизительно линейную зависимость (рис. 4B, рис. S11 и таблица S1). Оба L и F ₀ могут быть оснащены экспоненциальным откликом, используя уравнение. 1 (1) где k — масштабный коэффициент. Теория пучка была использована для дальнейшего объяснения процесса изгиба / складывания и определения определяющих параметров.Области rGO и GO-PDA можно рассматривать как два отдельных слоя с одинаковой толщиной h ₁ и h ₂ , соответственно (рис. 2A). Для простоты мы предположили, что привод MGM не был предварительно изогнут; то есть перед облучением в актуаторе не было напряжения. Воздействие NIR-света приводило к выпуклому изгибу бумаги вверх. Кривизна 1 / ρ бумаги может быть подогнана под экспоненциальный отклик согласно формуле. 2 ( 13 ) (2) где E ₁ и E ₂ — модули Юнга областей GO-PDA и rGO, соответственно.Комбинируя уравнения. 1 и 2 дает

Кроме того, мы вывели следующее уравнение в соответствии с определением радиуса кривизны (ρ) (4) Комбинируя уравнения. 3 и 4 дает

Уравнение 5 показывает, что углом изгиба MGM можно управлять, изменяя ширину линий GO-PDA. В этом случае светочувствительное изгибание / разгибание актуаторов GO-PDA / rGO позволило нам производить материалы, которые способны самосгибаться в желаемые трехмерные структуры. Мы также сконструировали устройство для ходьбы со световым приводом, построив серию линий GO-PDA разного размера на пленке rGO (рис.4А).

На рис. 4С показано движение устройства по подложке. Ходьба происходит в пять последовательных шагов (1 → 2 → 3 → 2 • → 1 •), которые контролируются ближним инфракрасным светом. Первоначально все устройство изгибалось вверх в виде арки, потому что слой GO-PDA набухал при низкой температуре. Затем слой GO-PDA сжимался под воздействием лазерного излучения, что заставляло устройство для ходьбы вытягиваться вперед в направлении более узкой линии GO-PDA (1 → 2 → 3). Когда лазер был выключен, слой GO-PDA снова стал раздутым, и устройство изогнулось в виде дуги (3 → 2 • → 1 •) (рис.S15). Включая и выключая лазер, устройство пошагово пошагово двигалось в одном направлении, управляемое межфазным напряжением между слоями GO-PDA и rGO (видеоролики S2 и S3). Удивительно, но один цикл ходьбы (пять шагов) устройства занял всего 2 секунды из-за сильной способности GO-PDA к адсорбции / десорбции воды и высокой эффективности фототермического преобразования rGO. На рис. 4D показано, что устройства для ходьбы не только могут двигаться вперед, но также могут поворачиваться под воздействием ИК-лазера.Теоретический анализ механизма поворота представлен на рис. S15. Облучение одной стороны пленки ИК-лазером приводило к асимметричному изгибу. Такой асимметричный изгиб двухслойного актуатора в шагающем устройстве был вызван неравномерным распределением температуры на его поверхности (рис. S16). Мы можем видеть, что распределение активной области настолько гибкое, что изгиб происходил только на облучаемой стороне, тогда как другая сторона оставалась плоской (см. Фиг. 4D, фиг. S16 и фильм S4).Когда лазерный свет был выключен, слой GO-PDA поглощал воду из окружающей среды и снова набухал. Таким образом устройство поворачивается на определенный угол (α). При периодическом воздействии лазерного света были достигнуты различные значения α (рис. S17). В отличие от ранее описанных устройств для ходьбы Ma et al. ( 13 ), наши устройства для ходьбы могут поворачиваться и показывать движение вперед и назад, управляемое инфракрасным лазером. Демонстрация самосворачивающегося устройства, совершающего различные ходовые и поворотные действия, показана на рис.S18. Кроме того, мы также показали, что он имеет многообещающий потенциал служить в качестве искусственной руки (хватать и удерживать предметы в пять раз тяжелее, чем он сам, как показано на рис. 5A и видеоролик S5) или микроробота (дистанционно работающий внутри герметичного и миниатюрного пространства едва достигаются механической силой и электричеством, как показано на фиг. 5B и видеоролике S6). Весь этот процесс был завершен под контролем ИК-лазера без каких-либо других внешних воздействий.

( A ) Оптические изображения, показывающие искусственную руку робота, держащую объект, управляемый световым излучением. ( B ) Оптические изображения, показывающие, как «микроробот» ползет по трубопроводу под действием светового излучения.

ОБСУЖДЕНИЕ

Мы изготовили полностью углеродное устройство для ходьбы на световом приводе, которое может изменять направление, и другие виды интеллектуальных устройств, способных выполнять хорошо продуманные движения путем создания рисунка слоя действий из линий GO-PDA на поддерживающем слое из rGO с помощью простой и недорогой процесс при комнатной температуре.Слой GO-PDA может поглощать воду из окружающей среды, вызывая набухание и потерю воды при облучении ближним инфракрасным / лазерным светом и, таким образом, вызывая усадку. В качестве поддерживающего слоя высокая эффективность фототермического преобразования и пушистая структура пленки rGO сыграли важную роль в передаче чувствительного к влажности GO-PDA в световые приводы с быстрым откликом, отличной светочувствительностью, большим углом отклонения и обратимостью. Мы считаем, что эти устройства могут быть адаптированы к широкому спектру приложений, таких как зондирование, искусственные мышцы и робототехника.Настоящее исследование также предоставило практический метод для будущей крупномасштабной подготовки самосгибающихся устройств с использованием подхода, аналогичного печати.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез нанокомпозитов GO-PDA

Все реагенты были аналитической чистоты и использовались без дополнительной очистки. ГО синтезирован модифицированным методом Хаммерса ( 27 ). Графеновые нанолисты, функционализированные PDA (нанокомпозиты GO-PDA), были приготовлены с использованием следующей процедуры с использованием DA в качестве агента функционализации поверхности.Водный раствор GO (15 мл, 1 мг, мл ^-1 ) и гидрохлорид DA (0,013 мг мл ^-1 ) смешивали с образованием однородного раствора после обработки ультразвуком в течение 100 мин. Значение pH смешанного раствора было доведено до уровня, близкого к 8,5, с использованием раствора трис-Cl (C ₄ H ₁₁ NO ₃ ). Реакционную смесь перемешивали при 45 ° C в течение 12 часов. Затем нанокомпозиты GO-PDA были получены после очистки центрифугированием и промывкой.

Изготовление самосгибающейся пленки rGO / GO-PDA

Водный раствор GO (50 мл, 1 мг мл ^-1 ) был сформирован после обработки ультразвуком в течение 100 мин.Вакуумную фильтрацию проводили на стандартной установке с ПК-мембраной (Daojin, размер пор 0,22 мкм, диаметр 25 мм). После фильтрации влажная пленка GO закрывалась маской из ПК (диаметром 50 см). Раствор GO-PDA (15 мл) добавляли поверх маски ПК и затем подвергали вакуумной фильтрации. Затем композитные пленки снимали с ПК-мембраны и погружали в 55% раствор HI при комнатной температуре на 1 час. Полученную пленку rGO / GO-PDA несколько раз промывали деионизированной водой.

Определение характеристик и измерения

Морфология полученных образцов была определена с помощью SEM (JSM-6700F, JEOL), и образцы были залиты эпоксидной смолой перед визуализацией. Фотографии были сделаны с помощью однообъективной зеркальной камеры (D7000, Nikon). Измерения XPS проводились с использованием многофункционального рентгеновского фотоэлектронного спектроскопа Kratos AXIS ULTRA, типичная глубина обнаружения составляет ~ 5 нм. Все XPS-спектры корректировались по линии C 1s при 284,6 эВ. CA-измерения проводились с помощью CA-метра (OCA40, Dataphysics) при температуре окружающей среды.Деионизированная вода (5 мкл) капала на каждый образец с использованием автоматического дозатора, и СА каждой капли автоматически определялась с использованием алгоритма подбора Лапласа-Юнга. Электропроводность образцов бумаги измеряли с использованием метода четырехточечного зонда (MCP-360, Mitsubishi Chemical Analytech Co. Ltd.). Изображения АСМ регистрировали с помощью АСМ (Nanoscope IV SPM, Digital Instruments). Лабораторные весы (AL204, Mettler Toledo) использовались для сбора массовых данных. Температуру и ИК-тепловые изображения регистрировали с помощью ИК-термометра (FLIR A40M, ThermoVision).Угол изгиба измерялся с помощью лазерного датчика перемещения (см. Рис. S19). ИК-спектры НПВО записаны на спектрометре Nicolet NEXUS 670. Напряжение, создаваемое графеновым актуатором, и его прочность измерялись на универсальной испытательной машине (Instron Model 5969, Instron). Источник ИК-излучения (макс. 250 Вт, Philips BR125) использовался на рис. 2-5 и фиг. S7, S8, S9, S11, S13, S14 и S19. Другой источник света Vis-NIR (от 400 до 1100 нм, 20 Вт макс., SFOLT Co. Ltd.) использовался для облучения исполнительного механизма, показанного на фиг.S12, S15, S16, S17 и S18.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/1/10/e1500533/DC1

Рис. S1. Схематическое изображение MGM, имеющего структуру двойного градиента с вертикальным и поперечным градиентами.

Рис. S2. Обзорные XPS-спектры GO-PDA / HI и rGO.

Рис. S3. Порошковые рентгенограммы GO, GO-PDA, GO-PDA / HI, rGO и графита.

Рис. S4.Рамановские спектры GO, GO-PDA, GO-PDA / HI и rGO.

Рис. S5. На оптических изображениях показан метод отслаивания липкой ленты (вверху).

Рис. S6. Гравиметрическая прочность на разрыв областей GO-PDA / rGO и rGO.

Рис. S7. Толщина профилей линейки GO-PDA с включенным и выключенным светом.

Рис. S8. Цифровая фотография устройства контроля влажности и характеристики восстановления, проверенные в различных средах относительной влажности.

Рис. S9. Схематическое изображение θ, γ, L , F и ρ ( L — ширина линии GO-PDA; F — напряжение, создаваемое линией GO-PDA; ρ — радиус кривизна; θ — угол изгиба МГМ; γ — дополнительные углы θ).

Рис. S10. Схематическое изображение изготовления самосворачивающегося ящика.

Рис. S11. Напряжение, создаваемое MGM ( средний и правый ), измеряли на универсальной испытательной машине (Instron, модель 5969) с включенным / выключенным световым излучением в ближнем инфракрасном диапазоне ( слева, ).

Рис. S12. Автоэмиссионные СЭМ-изображения поперечного сечения, показывающие области GO-PDA / rGO для различных линий GO-PDA: ( A ) 1 мм, ( B ) 3 мм и ( C ) 5 мм.

Рис. S13. Кривые изменения температуры и эффективность преобразования энергии MGM.

Рис. S14. Циклическое испытание MGM при включении / выключении облучения.

Рис. S15. Оптическое изображение ходьбы пешеходного устройства, приводимого в движение ближним инфракрасным светом.

Рис. S16. Поворот ходящего устройства.

Рис. S17. Угол поворота ходунков в зависимости от времени, когда свет включается и выключается для различных областей освещения.

Фиг.S18. Оптические изображения показывают, как устройство для ходьбы перемещается по виртуальной карте, управляемой световым излучением (масштабная линейка, 3 см).

Рис. S19. На схематической иллюстрации и оптическом изображении показано измерение угла изгиба с помощью лазерного датчика перемещения.

Таблица S1. Максимальное выходное напряжение, угол изгиба и теоретический угол изгиба как функция ширины GO-PDA (среднее значение данных).

Примечание S1. Расчеты максимальной эффективности преобразования энергии нашего актуатора.

Методы

Фильм S1. Поведение самосворачивающейся коробки при фотоактивации.

Фильм S2. Ходьба червеобразного устройства для ходьбы, включаемого и выключаемого ближним инфракрасным светом (100 мВт · см ⁻² ).

Фильм S3. Червячное поведение червеобразного шагающего устройства, управляемого включением и выключением ближнего инфракрасного излучения (100 мВт · см ⁻² ).

Фильм S4. Поведение червеобразного шагающего устройства, управляемого инфракрасным лазером.

Фильм S5. Захватывающее поведение «искусственной / роботизированной руки», управляемой световым излучением.

Фильм S6. Ползание «микроробота» внутри мини-трубы, приводимое в действие ближним инфракрасным светом (100 мВт · см ⁻² ).

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что конечным результатом будет , а не для коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно цитируется.

Благодарности: Мы в долгу перед Ю.Руи и Г. Ванга за выполнение анализа образцов с помощью SEM и XPS. Финансирование: Мы с благодарностью отмечаем финансовую поддержку со стороны Национального научного фонда Китая (№ 51172042), Министерства образования Китая (IRT1221, № 111-2-04), Комиссии по науке и технологиям Шанхая (13JC1400200 и 15ZR1401200). ), Специализированный исследовательский фонд для докторской программы высшего образования (20110075130001), Китайский постдокторский научный фонд, восточный ученый и Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов (2232014A3-06). Вклад авторов: J.M. and C.H. проводил эксперименты. J.M., C.H. и H.W. задумал и спланировал эксперименты. M.Z., Q.Z. и Y.L. проанализировали данные. J.M. и H.W. написал рукопись. Все авторы прочитали и одобрили окончательную рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у H.W. (wanghz {at} dhu.edu.cn) или Q.Z. (zhangqh {at} dhu.edu.cn).

• Авторские права © 2015, Авторы

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Схема создания звезды оригами и ее символическое значение

В последние годы японское оригами приобрело популярность и стало страстью людей со всего мира. Мы создаем сайты, посвященные технике оригами.Появляются художники, которые создают удивительные фигуры, настолько сложные, что даже не верится в их бумажное происхождение.

Что такое оригами?

Оригами (в переводе с японского «ори» — сложенный, «гами» — бумага) — это искусство складывания кусочков бумаги, которое зародилось в Древнем Китае примерно в тот же период, когда была изобретена первая бумага. В 17 веке оригами активно распространялось в Японии и получило наибольшее развитие, а в 20-м стало широко известным в мире благодаря книге японского мастера оригами Акиры Есидзавы.Он также придумал большинство символов для схематического изображения складывания фигур.

Правила классического оригами требуют, чтобы квадратный лист бумаги использовался для изготовления части, разрезы которой совершенно недопустимы. Примером оригинального оригами можно считать фигурку журавля. Однако со временем технология усовершенствовалась, появились пропитки для бумаги и клей. Со временем фигуры стали более сложными и модульными или, наоборот, упрощенными.Примеры упрощений — звездочки оригами — объемная звездочка, созданная из полоски бумаги.

Звездочка Рисунок

«Звездочка» — бумага для оригами, будучи простой, понятной и красивой, является одной из самых популярных фигур. Он настолько прост, что дети младших классов легко научатся складывать его.

Имея возможность использовать бумагу разной структуры, разных цветов, разных узоров, вы можете создать удивительную звезду оригами или множество из них.Таким образом, создание звезд никогда не надоест, и каждый раз набор может быть уникальным.

Звездочка складывающаяся

Сначала будет трудно даже поверить, что полоска бумаги может превращаться в трехмерную форму. Однако это красивая сторона оригами. Мы подробно рассмотрим, как сделать звезду оригами. Кроме того, вам следует сначала попробовать создать звездочку, особенно если вы собираетесь сделать несколько десятков или даже сотен. После 15 числа вы будете делать их на автомате.

Для начала нужно нарезать полоски бумаги в соотношении ширины к длине 1:13. Лучше всего это делать канцелярским ножом и линейкой, так как ножницами сделать идеально ровный разрез сложно. При этом важно, чтобы полоса была одинаковой ширины по всей длине. Вы можете поэкспериментировать с параметрами, чтобы получить звезду оригами нужного размера.

1. Отрезав достаточное количество полос, можно приступить к немедленному складыванию бумаги до образования звездочки.
2. На одном конце бумаги сделайте петлю, зажмите короткий конец полоски в эту петлю и завяжите узел.
3. Вытягивая длинный конец бумаги, осторожно затяните узел, чтобы получился правильный пятиугольник.
4. Оставшийся небольшой кусок можно согнуть в пятиугольник или вырезать.
5. Чтобы начать складывать длинный конец вокруг пятиугольника, сама бумага должна лежать ровно по краям пятиугольника.
6. Конец ленты необходимо тщательно заполнить, в конце должна быть основа для звезды в виде правильного пятиугольника.
7. Осталось устроить в приготовлении лучи звезды. На этом этапе чаще всего появляются ошибки и недоработки, поэтому торопиться не стоит. Секрет в том, чтобы правильно обвести пятиугольник с противоположной стороны, на которую будет оказываться давление, и приложить край фигуры вдоль пальца. Слегка надавите, чтобы центр ребра упал внутрь, а звездочка стала объемной.

Символизм звезды в разных культурах

Пятиконечная звезда как символ охранника от злых сил известна более трех тысяч лет.В Древнем Риме звезда была символом бога войны Марса. Для масонов это был символ универсальной энергии. Его значение чрезвычайно разнообразно. Это символ вечности, света и высоких идеалов. Но в то же время перевернутая звезда — это печать Бафомета — символа сатанизма.

В некоторых древних культурах считалось, что у каждого человека на небе своя звезда. Она появляется в небе с его рождением и исчезает со смертью. В других же душа человека после смерти попадает в рай и занимает место среди звезд.Подобные представления о связи судьбы человека со звездами привели к зарождению и развитию астрологии.

Пятиконечная звезда — не единственная в этой серии персонажей. В мире есть много других звезд, которые также являются хорошо известными символами. Треугольная звезда — библейский символ божественного начала. Шестиконечная звезда Давида — символ божественной защиты. Вифлеемская звезда — символ Рождества Христова. Семиконечная звезда — символ востока.И много других. Конечно, в оригами можно сложить практически все звезды. Но об этом в других уроках.

Примеры использования Asterisk

В Японии традиционно ставят звезды на различные праздники. А их безграничные вариации позволяют дизайнерам и художникам использовать их для композиций. Возможности оригами звездочек ограничены только фантазией автора.

Оригами — приятное и понятное искусство, доступное каждому. Это требует минимальных вложений, а взамен дает безграничные возможности для творчества.Также стоит отметить, что оригами — это вид медитации, позволяющий автору расслабиться и спокойно погрузиться в свой внутренний мир и собственные мысли.

Человек, который создал Москву из бумаги: невероятные модели оригами Учителя для культового русского собора

Человек, создавший Москву из бумаги: невероятные модели оригами учителя культового русского собора

• Сергей Тарасов завершил свои невероятные модели модульного оригами Собор Василия Блаженного, Москва
• Учитель рисования построил копию дома в сибирском селе Тигрицкое
  

Автор Alex Horlock

Опубликовано: 16:57 BST, 17 октября 2012 | Обновлено: 17:15 BST, 17 октября 2012 г.

Реклама

Познакомьтесь с человеком, который построил Москву… из бумаги.Сергей Тарасов недавно завершил эту замечательно детализированную модульную модель оригами храма Василия Блаженного, используя сложенные кусочки бумаги.

Школьный учитель в течение прошедшего года кропотливо создавал невероятно точные копии исторической достопримечательности российской столицы из десятков тысяч листов бумаги.

42-летний мужчина из села Тигрицкое на юге России может многое показать, несмотря на его тяжелую работу, поскольку он представил впечатляющую работу, которую он построил дома, которая стоит 1.5 метров высотой.

Замечательно: 42-летний Сергей Тарасов завершает работу над своей невероятной модульной моделью-оригами Храма Василия Блаженного в своем доме в Тигрицком

Тщательно: Тарасов потратил год на детальную модель, даже придерживаясь яркой цветовой схемы красивого здания

Тарасов сказал, что он даже не сделал эскиз впечатляющего здания, но все же смог создать свои великолепные интерпретации собора для русского фестиваля декоративно-прикладного искусства.

Учитель рисования был очарован японским искусством оригами в течение некоторого времени и говорит, что большую часть своего свободного времени он тратит на сборку модульных элементов, составляющих части его моделей.

Он начал обучать оригами детей в школах, в которых работает, примерно в 300 милях от ближайшего крупного города, Красноярска, Сибирь.

Гордый: учитель рисования Тарасов тратит большую часть своего свободного времени на создание тщательно созданных модульных моделей оригами и даже обучает этому своих учеников

Комплекс: Тарасов построил собор, используя более 60 000 деталей, все из сложенных листов бумаги

Лучше, чем настоящая? Его творение удивительно похоже на храм Василия Блаженного в Москве, хотя Тарасов утверждает, что даже не использовал эскиз

Талантливый моделист каким-то образом нашел время, чтобы построить животных, таких как кролики и петухи, а также драконов, поезда и другие постройки. .

Перфекционист, Тарасов часто вынужден разбирать свои работы на полпути к их созданию, чтобы внести решающие изменения, улучшив их точность и подлинность.

Его творения настолько детализированы, что даже придерживаются той же цветовой схемы, что и их гигантские, реальные аналоги. Оранжево-красный кирпич храма Василия Блаженного отражен красными бумажками в модели Тарасова.

Собор Василия Блаженного — не единственный собор, построенный Тарасовым из бумаги. Он также представил свой взгляд на впечатляющий Свято-Спасский собор в южно-сибирском городе Минусинске.

Модульное оригами — сложная практика, в которой для создания более подробных и сложных моделей используется несколько листов бумаги, чем это было бы возможно при использовании одного листа.

Тарасов складывает каждый отдельный лист бумаги в модуль и соединяет их вместе, чтобы собрать части, прежде чем складывать более крупные формы вместе для создания своих впечатляющих моделей.

Но Тарасов еще не закончил создавать свои модели. Талантливый модельер планирует построить свои собственные полные версии Кремля и Красной площади в Москве, чтобы пополнить свою потрясающую коллекцию.

Реальная версия храма Василия Блаженного, русская православная церковь, также известная как собор Василия Блаженного, была построена по приказу Ивана Грозного между 1555 и 1561 годами.

И еще одна: Тарасову удалось Найдите время, чтобы создать эту удивительную копию Свято-Спасского собора в сибирском городе Мунусинск

Ключ кроется в деталях: талантливый моделист-оригами иногда разбирает свои чудесные модели, чтобы убедиться, что они соответствуют своим реальным аналогам

Paper Mario: The Origami King обзор

В тонких мирах Paper Mario всегда было что-то уникальное: чувство места и индивидуальности, способность задерживаться и исследовать, возможность остановиться и подружиться.В своих картонных замках и диорамах Paper Mario приключения и ролевые игры всегда удавалось демонстрировать окружение Марио как нечто большее, чем просто фоновый пейзаж, выделять друзей или соперников и делать их более чем одномерными и быть тем самым редким из них. вещи для видеоигр — часто очень забавные. Благодаря складкам и гофрированному фону Paper Mario постоянно превращает Грибное королевство и его жителей во что-то более фактурное и тяжелое, чем можно было бы предположить из его материалов.К счастью, в «Короле оригами» вы снова найдете то же самое сердце, юмор и характер.

Обзор Paper Mario: The Origami King

• Разработчик: Intelligent Systems
• Издатель: Nintendo
• Платформа: Проверено на Switch
• Доступно:

  , но 17 июля Paper Mario также пережила перетягивание каната между своей приключенческой и ролевой механиками, и в недавних записях было решено свернуть свой игровой процесс RPG и скрыть его из виду.Для многих эта борьба выходит за рамки простого жанрового предпочтения — она ​​является центральной для идеи Paper Mario и ее способности представить миры и персонажей Марио так, как только эта серия, которая встречается редко, может обеспечить. По мере того, как все больше и больше The Origami King появлялось в ходе его удивительно короткого пути, чтобы раскрыть и затем выпустить, поклонники Paper Mario (и особенно поклонники освященной игры GameCube Тысячелетняя дверь) отчаянно пытались классифицировать это последнее воплощение как то или иное — приключение или РПГ? — чтобы определить, какой опыт он может предложить.На самом деле это странная смесь того и другого. Origami King действительно предлагает несколько желанных уступок своим ролевым корням, но он также уклоняется от дальнейшего их развития по ходу игры, изо всех сил пытаясь когда-либо проявить себя по-настоящему особенным.

  Боевая система Короля Оригами — хороший тому пример. Пошаговый игровой процесс с использованием своевременных прыжков и взмахов молота станет знакомым зрелищем для пуристов Paper Mario, а добавление макета сетки для поворота и перемешивания врагов в более управляемые группы добавляет новый забавный слой головоломки.Это боевая система, которую вы увидите очень много в течение игры, но она постоянно дает ощущение выполненного долга, когда вы все правильно выстраиваете. Есть несколько предметов (огненные цветы, блоки для военнопленных и тому подобное), которые вы можете использовать или в основном игнорировать, а также аккуратную справочную систему, которая видит, что вы вызываете собравшуюся аудиторию Жаб, чтобы они прыгнули и отметили для вас маршрут.

  Вы быстро получите доступ к 1000-Fold Arms, специальному ходу, который вы можете выполнять либо с помощью элементов управления движением, либо с помощью комбинации кнопок в определенных более сложных битвах и в определенных точках игрового мира, чтобы раскрыть свой путь вперед.Но подавляющая часть вашего времени в битвах по-прежнему будет потрачена на прыжки и раскачивание молотком — игра не интегрирует и не добавляет дополнительных специальных атак для подавляющего большинства своих встреч. В битвах с боссами задействованы четыре простых силы стихий, которые снова можно использовать в определенных моментах игрового мира, но это скорее редкие исключения, чем норма.

  Дыра нового мира.

  Многие решения, которые разработчик Intelligent Systems принял в отношении боевых систем игры, связаны с еще большей нерешительностью в отношении более глубокой механики ролевой игры — одного, из-за которого Король оригами остается в таком месте, где ваш показатель здоровья — единственный показатель, который когда-либо появлялся на экране.В битвах вы зарабатываете монеты, а не опыт, которые можно потратить на помощь Жабе в битвах, лучшее снаряжение и предметы коллекционирования. Повышения уровня не существует, хотя ваше здоровье время от времени увеличивается за счет определенных персонажей, некоторые из которых скрыты и, по-видимому, можно пропустить. Ваша сила увеличивается каждый раз, когда ваше здоровье улучшается, что означает, что вы носите ботинки начального уровня и молот до финальной битвы с боссом в игре (а также то, что это всегда ваш вариант по умолчанию, если ваше лучшее снаряжение ломается, потому что, конечно, оно имеет ограниченную долговечность. ).

  Марио иногда помогает в бою член группы, но в игре нет метода выбора того, кого и как они атакуют — что, к сожалению, отражает то, насколько мало товарищи имеют механическое значение в целом. Возвращение партийных союзников было интерпретировано как серьезный шаг назад к истокам ролевой игры, но большинство персонажей, которых вы встретите, будут путешествовать с Марио только временно, и даже тогда они решат пропустить определенные разделы. Помимо Оливии, болтливого персонажа, похожего на нави, который активирует атаку Марио «1000 сложенных рук», только один член группы будет когда-либо появляться на экране в бою за раз, и только тогда он будет наносить базовый удар через случайные промежутки времени.

  Схема пирамиды.

  Это позор, поскольку Король Оригами представляет, а затем быстро оставляет после себя список многообещающих кандидатов в члены партии, некоторые из которых привязаны на несколько минут, прежде чем снова уйти. Привет, Луиджи! Пока, Луиджи. Сценарий игры часто великолепен, ее навыки бумажной игры слов постоянно остры, и все же многие из ее персонажей в конечном итоге чувствуют себя недостаточно обеспеченными своим экранным временем. Есть несколько эпизодов из любимых фанатами персонажей и множество знающих намеков на историю Nintendo.От недооцененного собачьего тела Баузера Камека и капризного Баузера-младшего есть захватывающие сцены повороты. Но временный характер этих членов группы означает, что некоторые прибывают слишком поздно, чтобы произвести впечатление, в то время как более ранние персонажи никогда не получают шанса как следует спать. также пара явно мрачных сюжетных моментов, которые противоречат общему тону игры — которые выделяются достаточно, чтобы отметить здесь, но также не стоит портить.

  По ходу своей истории, Origami King перенесет вас в тематический парк ниндзя, ангельский спа-курорт, океанский круизный лайнер, в джунгли, каньоны и леса.Каждый из них был изготовлен с любовью из удивительно приятных на ощупь бумаги и картона. У каждого есть свои секреты, жабы, нуждающиеся в спасении, которые присоединятся к вашей боевой аудитории, разорванные пейзажи, нуждающиеся в ремонте, с использованием вашего мешка бумажных конфетти. Редко вы найдете место без чего-либо, скрытого на виду, и кого-то с диалогами, которые заставят вас улыбнуться. Эти области в основном линейны — в игре есть фиксированная история, которую она хочет рассказать, и, кроме сбора коллекционных предметов, нет побочных квестов, которые можно найти, или причин для возвращения.

  Macho maché man.

  Также включены две большие области открытого мира, которые можно пересечь на транспортных средствах — пустыня, которую вы пересекаете в моторизованном ботинке, и море в стиле Wind Waker, которое вы плывете на лодке, открывая острова и отмечая их на своей карте. Оба этих раздела предлагают отдохнуть от темпа остальной игры, но также значительно расширяют возможности благодаря охоте за сокровищами, которая, вероятно, оставит вас с небольшим количеством проб и ошибок. На протяжении всей игры есть моменты, в которые играют для смеха, когда Марио, кажется, оказывается в конце области, готовый завершить ее, только для того, чтобы что-то произошло и развернулась еще одна огромная секция.В конце концов, вы можете бояться, что в следующий раз это произойдет — например, в конце одного из последних разделов, где для прогресса вы должны принять участие в одном из фирменных игровых шоу серии, неожиданное отвлечение, которое странно сочетается с темпом последних нескольких часов игры.

  Я бы много порекомендовал про Короля оригами, путешествие, щедрое с его юмором, широким спектром локаций, постоянным чувством приключений в стремлении Марио победить злого Короля оригами (умное самомнение, которое позволяет Марио подружиться с обычными бумажными Гумбами.

  No related posts.

  Добавить комментарий Отменить ответ

  Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

  Комментарий *

  Имя *

  Email *

  Сайт

  Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.