近日，合肥工業(yè)大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所合作，開(kāi)發(fā)了一種基于MXene/碳納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極的離子型電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了低電壓刺激下的高性能彎曲變形，并探索了該驅(qū)動(dòng)器在觸屏操作的柔性人工手指、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“High-Performance MXene/Carbon Nanotube Electrochemical Actuators for Biomimetic Soft Robotic Applications”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上。

離子在肌肉的收縮控制等生命活動(dòng)中具有關(guān)鍵作用。與人體肌肉運(yùn)動(dòng)相類似，離子型電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器能夠在電場(chǎng)作用下通過(guò)內(nèi)部離子的遷移產(chǎn)生機(jī)械變形，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，具有低電壓驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量輕、易加工、可控性高等優(yōu)點(diǎn)，在軟體機(jī)器人、人工肌肉、人機(jī)交互等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要價(jià)值。然而，受到電極材料結(jié)構(gòu)和特性的影響，目前離子型電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器在空氣中的電驅(qū)動(dòng)性能仍然有限，制約了其在應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

針對(duì)于此，研究人員將Ti₃C₂T_xMXene納米片與羧基化碳納米管（CNT）相復(fù)合，利用酯化反應(yīng)，制備了MXene/CNT二維/一維異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料（圖1）。其中，CNT的摻入增加了MXene層的層間距，提高了其機(jī)械穩(wěn)定性。與純MXene薄膜相比，MXene/CNT復(fù)合材料具有更豐富的孔徑分布以及更大的比表面積，可以為離子提供更多有序的通道和存儲(chǔ)空間，有利于內(nèi)部離子遷移和儲(chǔ)存以及電化學(xué)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)以MXene/CNT為電極的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的快速響應(yīng)和大變形。

圖1. MXene/CNT異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極的制備及表征

進(jìn)一步研究表明，MXene/CNT電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器相比于純MXene電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器具有更加出色的電化學(xué)性能。當(dāng)MXene與CNT質(zhì)量比為1:1時(shí)，MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器的比電容可達(dá)151.5 F/g。得益于優(yōu)異的電化學(xué)性能和力學(xué)穩(wěn)定性，該驅(qū)動(dòng)器在空氣中2.5V低電壓的刺激下能夠產(chǎn)生高性能機(jī)械變形（圖2），包括較大的彎曲位移（24mm）和應(yīng)變（1.54%）、寬頻率響應(yīng)（0.1 – 15 Hz）、高輸出力（5 mN）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（10000次）。

圖2. MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器的電驅(qū)動(dòng)性能

由于類似于超級(jí)電容器的離子遷移變形機(jī)制，離子型電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器在其表面具有帶電離子，可以模仿人類的手指來(lái)對(duì)智能手機(jī)和平板電腦等智能設(shè)備上的屏幕進(jìn)行觸控操作。用MXene/CNT電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建人工手指，可在低電壓刺激下觸碰智能手機(jī)屏幕上的號(hào)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)撥打電話的操作（圖3）。此外，該驅(qū)動(dòng)器還可以對(duì)智能手機(jī)中電子鼓軟件進(jìn)行變頻敲擊，并且其敲擊頻率可以通過(guò)控制刺激電壓的頻率來(lái)改變（圖4a）。當(dāng)施加1Hz以及10Hz的2.5V交變電壓后，該驅(qū)動(dòng)器以1Hz和10Hz的頻率敲擊了電子鼓（圖4b, 4c）。更進(jìn)一步，通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)電壓的頻率，還實(shí)現(xiàn)了13Hz的敲擊（圖4d）。這個(gè)頻率能超過(guò)正常人類手指在智能手機(jī)上的正常敲擊頻率（約7.5 Hz）（圖4e）。除了單根人工手指的操作外，還可以使用兩個(gè)MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩根手指的協(xié)同依次敲擊（圖4f）。

圖3.MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器模仿人類手指撥打電話

圖4. MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器模仿人類手指，在智能手機(jī)以可調(diào)頻率敲擊電子鼓

此外，研究人員還進(jìn)一步探索了MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器仿生應(yīng)用。由四片驅(qū)動(dòng)器組成的仿生機(jī)械爪可以在6秒內(nèi)抓取、移動(dòng)并放下自身重量6倍的物體（圖5a）。利用驅(qū)動(dòng)器大變形、易裁剪的優(yōu)勢(shì)，將其裁剪成蜻蜓翅膀的形狀，制備了仿蜻蜓機(jī)器人，在施加電壓后可以模擬蜻蜓拍打翅膀的動(dòng)作（圖5b）。同時(shí)，利用電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓低的特點(diǎn)，結(jié)合太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了基于該驅(qū)動(dòng)器的人工樹(shù)葉在光照下的可逆變形（圖5c, 5d）。

圖5. MXene/CNT驅(qū)動(dòng)器的仿生應(yīng)用

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基礎(chǔ)科研基金、安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持。合肥工業(yè)大學(xué)碩士生張偉為論文的第一作者，合肥工業(yè)大學(xué)胡穎、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王冉冉為論文的共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408496

新聞鏈接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/67779.htm

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