近年來，軟執(zhí)行器在軟機器人、醫(yī)療設備和智能傳感器等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。這類器件通常采用雙層結(jié)構(gòu)，利用兩層材料對外部刺激（如濕度、溫度、光、電等）的不同響應來實現(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、界面應變不匹配等問題，容易發(fā)生疲勞或斷裂，嚴重限制了其使用壽命和可靠性。盡管已有研究致力于開發(fā)新型刺激響應材料以提升性能，但如何在高變形能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間取得平衡，仍是該領域面臨的重要挑戰(zhàn)。

近日，南京郵電大學黃維院士、謝燕楠教授、新加坡國立大學Xiao Xiao和新疆大學高歌 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)動效率與優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性融為一體。該薄膜通過真空自組裝工藝制備，由Ti?C?T? MXene納米片與氧化石墨烯-細菌纖維素（GO-BC）復合層構(gòu)成，具備良好的二維晶格匹配性和快速響應能力，能夠在外界電、濕、光等刺激下通過水分子的吸附與釋放實現(xiàn)可控形變，適用于多種軟機器人應用場景。相關論文以“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Li Jiahui。

研究人員首先通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDX）對IHJ薄膜進行了結(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為獨立式IHJ薄膜的實物照片，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)，無明顯界面問題；圖1f的紅外光譜進一步揭示了兩側(cè)表面豐富的含氧官能團和氫鍵作用，為后續(xù)的響應機制奠定了基礎。

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進一步揭示了IHJ薄膜的形變機制。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的接觸角測試表明GO-BC側(cè)具有更強的親水性。圖2d的I–V特性曲線顯示隨著電壓升高，層間距擴大，內(nèi)部電阻增加。圖2e–f通過XRD分析了在不同電壓下MXene和GO-BC層(002)峰位的移動，進一步證實了層間距的變化。圖2g–i通過分子動力學模擬展示了GO和MXene通道中水分子在不同溫度下的遷移行為及其對層間距的影響，與實驗結(jié)果高度一致。

圖2. IHJ薄膜執(zhí)行器的形變機制。 (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薄膜的水分子動力學模擬； (h) 原始MXene薄膜的水分子動力學模擬； (i) 基于理想模擬結(jié)果在加熱下d間距隨時間的變化。

圖3系統(tǒng)研究了IHJ薄膜在執(zhí)行器應用中的可控性能。通過調(diào)節(jié)懸臂與基座的尺寸比例（如l?/l?=7:3或9:1），可實現(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動，而較長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、曲率和響應時間，最高彎曲角度可達206°，響應時間低于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）的溫度隨時間變化； (g) 不同懸臂長度下的彎曲程度； (h) 0.5–2.5 V電壓刺激下的照片； (i) 彎曲角度與動態(tài)曲率； (j) 時間響應曲線； (k) 2.5 V電壓下100次循環(huán)的穩(wěn)定性測試。

圖4展示了IHJ薄膜在多刺激下的軟機器人應用。圖4a–c展示了一款“花機器人”，在2.5 V電壓下可在10秒內(nèi)完全開花，30秒內(nèi)恢復閉合；圖4d為基于濕度響應的“被動開關”，在高濕環(huán)境下自動接通電路，低濕時斷開；圖4e–f則模擬了“蠕蟲機器人”在間歇紅外光照下的爬行行為，每周期前進約0.45厘米，四周期后總移動距離達1.7厘米。這些應用充分展示了IHJ薄膜在執(zhí)行復雜運動、環(huán)境感知和智能控制方面的潛力。

圖4. 多刺激下軟機器人的應用。 (a) “花機器人”在電刺激下的示意圖； (b) 開花與閉合階段的照片； (c) 在2.5 V電壓下開花與閉合過程的彎曲角度隨時間變化； (d) 濕度刺激下的“被動開關”演示； (e) 紅外燈照射下“蠕蟲機器人”的運動； (f) 四個光照周期內(nèi)蠕蟲的前進距離記錄。

綜上所述，該項研究成功開發(fā)出一種輕量化、低功耗、多刺激響應的同構(gòu)異質(zhì)Janus薄膜軟執(zhí)行器，具備快速響應、大形變能力和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，在軟機器人、環(huán)境監(jiān)測和智能器件等領域展現(xiàn)出廣泛的應用前景。該設計不僅克服了傳統(tǒng)雙層執(zhí)行器的界面疲勞問題，還為實現(xiàn)高性能、長壽命的軟驅(qū)動系統(tǒng)提供了新思路。

來源：高分子科學前沿

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