近期，合肥工業(yè)大學(xué)吳玉程教授、胡穎研究員課題組在智能柔性光驅(qū)動(dòng)器研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)與中科院上海硅酸鹽所王冉冉研究員、南京工業(yè)大學(xué)武觀副教授等合作，發(fā)展了一種基于MXene的新型柔性智能光驅(qū)動(dòng)器與軟體機(jī)器人，相關(guān)研究成果以Self-Locomotive Soft Actuator Based on Asymmetric Microstructural Ti₃C₂T_xMXene Film Driven by Natural Sunlight Fluctuation為題，在線發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。

人工柔性驅(qū)動(dòng)器能將外部能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在軟體機(jī)器人、人工肌肉、智能穿戴服裝等領(lǐng)域展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛力。然而，目前所研制的驅(qū)動(dòng)器大多需要利用人工能量，并通過人工控制來產(chǎn)生連續(xù)變形，可能會(huì)增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而限制其微型化和進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展。因此，發(fā)展能夠利用自然能源來產(chǎn)生自主運(yùn)動(dòng)、無需人工能源和人工控制的柔性驅(qū)動(dòng)器和智能微型機(jī)器人具有重要的基礎(chǔ)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)這一難題，該研究人員采用偶聯(lián)劑IPTS對(duì)MXene（Ti₃C₂T_x）進(jìn)行修飾，增大了MXene納米片的層間距，并采用真空抽濾的方法制備了不對(duì)稱微觀層狀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能增強(qiáng)的獨(dú)立支撐的MXene薄膜。該薄膜表現(xiàn)出宏觀尺度的光驅(qū)動(dòng)響應(yīng)，在光照下可產(chǎn)生可逆的快速彎曲變形。在此基礎(chǔ)上，將其與聚合物薄膜進(jìn)行雙層復(fù)合，研制了對(duì)自然太陽光具有超高響應(yīng)的柔性雙晶片結(jié)構(gòu)光驅(qū)動(dòng)器（圖1）。該驅(qū)動(dòng)器能在自然太陽光照射下產(chǎn)生快速的彎曲變形，變形角度可達(dá)346度。

圖1：柔性光驅(qū)動(dòng)器在自然太陽光以及人工光源照射下的快速彎曲變形

利用該驅(qū)動(dòng)器在自然陽光的光強(qiáng)波動(dòng)下的連續(xù)彎曲變形作為機(jī)械動(dòng)力源，并通過仿“尺蠖”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來將重復(fù)彎曲變形矯正為定向運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)造了仿尺蠖的柔性機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了其在自然陽光照射下、無需人工能量和控制的自主定向運(yùn)動(dòng)（圖2）。

圖2：仿尺蠖結(jié)構(gòu)的柔性“機(jī)器人”在自然太陽照射下、無需人工控制的自主定向運(yùn)動(dòng)

此外，利用該驅(qū)動(dòng)器還制備了能在陽光照射下舉起物體的柔性臂，以及“熊貓”機(jī)器人飾品。該“熊貓”飾品可以在自然陽光照射下改變面部表情和身體動(dòng)作，從沮喪的蜷縮變成快樂的手舞足蹈。在智能可穿戴應(yīng)用方面，該驅(qū)動(dòng)器還可用于制備可穿戴的裝飾品和品牌標(biāo)識(shí)，與服裝相結(jié)合，在自然陽光下可產(chǎn)生三維變形，保護(hù)裸露的皮膚免受強(qiáng)烈陽光的傷害，使衣服更加智能化。

以上研究為開發(fā)自然太陽光驅(qū)動(dòng)的柔性驅(qū)動(dòng)器提供了一種新的設(shè)計(jì)策略，并揭示了太陽光驅(qū)動(dòng)器在仿生微型軟體機(jī)器人、空間智能遮陽板、太陽能驅(qū)動(dòng)器件和可穿戴服裝等方面的應(yīng)用前景。

圖3：采用柔性驅(qū)動(dòng)器制備的可穿戴飾品，能集成到服裝上，在太陽光下產(chǎn)生三維變形

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省杰出青年科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等的資助。合肥工業(yè)大學(xué)為該論文第一署名單位，航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給予論文工作大力支持。論文的通訊作者為工業(yè)與裝備技術(shù)研究院胡穎研究員、中科院上海硅酸鹽所王冉冉研究員與南京工業(yè)大學(xué)武觀副教授，共同第一作者包括工業(yè)與裝備技術(shù)研究院博士生楊露露和中科院上海硅酸鹽所博士生閆秋陽。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10797

（周麗華/文 胡穎/圖 翟華/審核）

新聞鏈接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/37299.htm （合肥工業(yè)大學(xué)）

延伸閱讀：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置SHMFF用戶揭示并闡明新型柔性光驅(qū)動(dòng)器原理 （中科院合肥研究院）

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