近年來(lái)，軟執(zhí)行器在軟機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備和智能傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。這類(lèi)器件通常采用雙層結(jié)構(gòu)，利用兩層材料對(duì)外部刺激（如濕度、溫度、光、電等）的不同響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)可控形變。然而，傳統(tǒng)雙層執(zhí)行器因材料間結(jié)構(gòu)不兼容、界面應(yīng)變不匹配等問(wèn)題，容易發(fā)生疲勞或斷裂，嚴(yán)重限制了其使用壽命和可靠性。盡管已有研究致力于開(kāi)發(fā)新型刺激響應(yīng)材料以提升性能，但如何在高變形能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間取得平衡，仍是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。

近日，南京郵電大學(xué)黃維院士、謝燕楠教授、新加坡國(guó)立大學(xué)Xiao Xiao和新疆大學(xué)高歌 副教授合作，提出了一種基于同構(gòu)異質(zhì)Janus（IHJ）薄膜的新型雙層軟執(zhí)行器，成功將高驅(qū)動(dòng)效率與優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性融為一體。該薄膜通過(guò)真空自組裝工藝制備，由Ti?C?T? MXene納米片與氧化石墨烯-細(xì)菌纖維素（GO-BC）復(fù)合層構(gòu)成，具備良好的二維晶格匹配性和快速響應(yīng)能力，能夠在外界電、濕、光等刺激下通過(guò)水分子的吸附與釋放實(shí)現(xiàn)可控形變，適用于多種軟機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)論文以“Bimorph Soft Actuators Based on Isostructural Heterogeneous Janus Films”為題，發(fā)表在ACS Nano上，論文第一作者為L(zhǎng)i Jiahui。

研究人員首先通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDX）對(duì)IHJ薄膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。圖1a展示了薄膜在外部刺激下發(fā)生彎曲的示意圖，表明其具備可控形變能力；圖1b為獨(dú)立式IHJ薄膜的實(shí)物照片，顯示出良好的自支撐性能；圖1c–e分別展示了GO-BC側(cè)、MXene側(cè)和橫截面的SEM圖像，表明兩層之間具有連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯界面問(wèn)題；圖1f的紅外光譜進(jìn)一步揭示了兩側(cè)表面豐富的含氧官能團(tuán)和氫鍵作用，為后續(xù)的響應(yīng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

圖1. IHJ薄膜的示意圖與表征。 (a) 外部刺激下IHJ薄膜發(fā)生彎曲的示意圖，表現(xiàn)出可控形變行為； (b) 獨(dú)立式IHJ薄膜的照片，比例尺：2 cm； (c) GO-BC側(cè)的SEM圖像，比例尺：250 nm； (d) MXene側(cè)的SEM圖像，比例尺：50 μm； (e) 橫截面SEM圖像，比例尺：1 μm； (f) IHJ薄膜兩側(cè)的典型紅外光譜。

圖2進(jìn)一步揭示了IHJ薄膜的形變機(jī)制。圖2a–b展示了在刺激前后薄膜中水分子的保留與釋放行為：在高濕環(huán)境下，GO-BC層吸水膨脹，薄膜向MXene側(cè)彎曲；在刺激作用下水分子釋放，GO-BC層收縮，薄膜反向彎曲。圖2c的接觸角測(cè)試表明GO-BC側(cè)具有更強(qiáng)的親水性。圖2d的I–V特性曲線(xiàn)顯示隨著電壓升高，層間距擴(kuò)大，內(nèi)部電阻增加。圖2e–f通過(guò)XRD分析了在不同電壓下MXene和GO-BC層(002)峰位的移動(dòng)，進(jìn)一步證實(shí)了層間距的變化。圖2g–i通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬展示了GO和MXene通道中水分子在不同溫度下的遷移行為及其對(duì)層間距的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。

圖2. IHJ薄膜執(zhí)行器的形變機(jī)制。 (a) 刺激前水分子的保留行為； (b) 刺激下水分子的釋放行為； (c) 自然條件下IHJ薄膜兩側(cè)的吸水性能測(cè)試； (d) 在0.5–2.5 V電刺激下的正電流-電壓（I–V）特性； (e) Ti?C?T? MXene側(cè)(002)峰位隨電壓的變化； (f) GO-BC側(cè)(002)峰位隨電壓的變化； (g) 原始GO薄膜的水分子動(dòng)力學(xué)模擬； (h) 原始MXene薄膜的水分子動(dòng)力學(xué)模擬； (i) 基于理想模擬結(jié)果在加熱下d間距隨時(shí)間的變化。

圖3系統(tǒng)研究了IHJ薄膜在執(zhí)行器應(yīng)用中的可控性能。通過(guò)調(diào)節(jié)懸臂與基座的尺寸比例（如l?/l?=7:3或9:1），可實(shí)現(xiàn)垂直或水平方向的彎曲（圖3a–f）。圖3g表明較短的懸臂更利于垂直運(yùn)動(dòng)，而較長(zhǎng)的懸臂則傾向于水平彎曲。圖3h–j展示了在不同電壓（0.5–2.5 V）下薄膜的彎曲角度、曲率和響應(yīng)時(shí)間，最高彎曲角度可達(dá)206°，響應(yīng)時(shí)間低于10秒。圖3k表明該執(zhí)行器在2.5 V電壓下連續(xù)循環(huán)100次后仍保持穩(wěn)定，誤差范圍僅0.5–5°，顯示出優(yōu)異的耐用性。

圖3. IHJ薄膜執(zhí)行器的性能表征。 (a, b) 垂直方向彎曲的照片與紅外熱圖像； (d, e) 水平方向彎曲的照片與紅外熱圖像； (c, f) 垂直和水平方向下不同區(qū)域（sp1、sp2）的溫度隨時(shí)間變化； (g) 不同懸臂長(zhǎng)度下的彎曲程度； (h) 0.5–2.5 V電壓刺激下的照片； (i) 彎曲角度與動(dòng)態(tài)曲率； (j) 時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)； (k) 2.5 V電壓下100次循環(huán)的穩(wěn)定性測(cè)試。

圖4展示了IHJ薄膜在多刺激下的軟機(jī)器人應(yīng)用。圖4a–c展示了一款“花機(jī)器人”，在2.5 V電壓下可在10秒內(nèi)完全開(kāi)花，30秒內(nèi)恢復(fù)閉合；圖4d為基于濕度響應(yīng)的“被動(dòng)開(kāi)關(guān)”，在高濕環(huán)境下自動(dòng)接通電路，低濕時(shí)斷開(kāi)；圖4e–f則模擬了“蠕蟲(chóng)機(jī)器人”在間歇紅外光照下的爬行行為，每周期前進(jìn)約0.45厘米，四周期后總移動(dòng)距離達(dá)1.7厘米。這些應(yīng)用充分展示了IHJ薄膜在執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)、環(huán)境感知和智能控制方面的潛力。

圖4. 多刺激下軟機(jī)器人的應(yīng)用。 (a) “花機(jī)器人”在電刺激下的示意圖； (b) 開(kāi)花與閉合階段的照片； (c) 在2.5 V電壓下開(kāi)花與閉合過(guò)程的彎曲角度隨時(shí)間變化； (d) 濕度刺激下的“被動(dòng)開(kāi)關(guān)”演示； (e) 紅外燈照射下“蠕蟲(chóng)機(jī)器人”的運(yùn)動(dòng)； (f) 四個(gè)光照周期內(nèi)蠕蟲(chóng)的前進(jìn)距離記錄。

綜上所述，該項(xiàng)研究成功開(kāi)發(fā)出一種輕量化、低功耗、多刺激響應(yīng)的同構(gòu)異質(zhì)Janus薄膜軟執(zhí)行器，具備快速響應(yīng)、大形變能力和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，在軟機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。該設(shè)計(jì)不僅克服了傳統(tǒng)雙層執(zhí)行器的界面疲勞問(wèn)題，還為實(shí)現(xiàn)高性能、長(zhǎng)壽命的軟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了新思路。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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