近日，合肥工業(yè)大學(xué)胡穎研究員、常龍飛副研究員團(tuán)隊(duì)與趙玉順教授合作，發(fā)展了一種靜電驅(qū)動的石墨烯振蕩器，并受海豹運(yùn)動啟發(fā)，進(jìn)一步設(shè)計了一種電壓/光照協(xié)同驅(qū)動的仿海豹機(jī)器人，其中石墨烯振蕩器提供推進(jìn)力，柔性光驅(qū)動器控制運(yùn)動方向。該機(jī)器人能夠在電/光刺激下實(shí)現(xiàn)攜帶物體移動、繞開障礙物等可控運(yùn)動。相關(guān)成果以“Seal-Bioinspired Electrostatic Oscillation-Based Soft Robot with Light Tunable Locomotion”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

能夠持續(xù)輸出機(jī)械能的自振蕩運(yùn)動在生物活動中起著至關(guān)重要的作用，這啟發(fā)了人們利用自振蕩來設(shè)計新型柔性仿生機(jī)器人?；谧哉袷庍\(yùn)動的柔性機(jī)器人可以進(jìn)行爬行、游泳等仿生運(yùn)動，提高了機(jī)器人運(yùn)動的性能和多樣性。然而，當(dāng)前的自振蕩驅(qū)動器大多需要精確控制外部刺激能量。設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、可控性高的自振蕩驅(qū)動器，以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對柔性機(jī)器人運(yùn)動的精確控制仍然是一個挑戰(zhàn)。

海豹能在水下和地面運(yùn)動。在水下，海豹主要依靠擺動后鰭來提供向前推力，并通過拍打前鰭來改變運(yùn)動方向。相比之下，海豹在陸地上則主要通過自身的背腹起伏向前移動。由于缺乏后鰭連續(xù)拍打所提供的推力，海豹在地面上的移動速度相對較慢。受海豹兩種運(yùn)動模式的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種仿海豹柔性機(jī)器人。該機(jī)器人包含兩個部分：（1）模擬海豹后鰭的石墨烯振蕩器，在直流電壓驅(qū)動下產(chǎn)生連續(xù)拍打動作，為運(yùn)動提供驅(qū)動力；（2）兩側(cè)安裝柔性光驅(qū)動器，模擬海豹的前鰭用于調(diào)整運(yùn)動方向。

圖1 (a)海豹在水中和地面的兩種運(yùn)動模式；(b)仿海豹運(yùn)動的電/光驅(qū)動柔性機(jī)器人

該石墨烯振蕩器為懸臂梁結(jié)構(gòu)，放置在兩平行板電極之間，一端固定，另一端自由懸掛。在電極之間施加360V的直流電壓（電場強(qiáng)度為24 V mm^?1），石墨烯薄膜在兩電極之間產(chǎn)生了持續(xù)的彎曲振蕩。其振蕩運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)制歸因于靜電感應(yīng)效應(yīng)，以及荷電極性變化引起的靜電力方向變化。振蕩運(yùn)動的頻率可通過施加的電壓來控制，在100Vmm^?1的電場強(qiáng)度下，振蕩頻率可達(dá)10.8 Hz。

圖2 靜電驅(qū)動的石墨烯振蕩器及其性能

基于石墨烯振蕩器在直流電場下的持續(xù)振蕩運(yùn)動特性，可用來構(gòu)建一種新型的電-機(jī)械動力系統(tǒng)。通過模仿海豹在水里和地面上的運(yùn)動，團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種可以在電場下自主移動的仿海豹柔性機(jī)器人。該機(jī)器人以石墨烯振蕩器作為后鰭，聚酰亞胺（PI）薄膜為身體。石墨烯振蕩器產(chǎn)生的振蕩運(yùn)動為機(jī)器人運(yùn)動提供了持續(xù)的機(jī)械動力，半圓形PI身體為機(jī)器人的運(yùn)動提供了支撐點(diǎn)，并減少了機(jī)器人與地面之間的摩擦。與海豹在水下通過擺動后鰭向前移動類似，當(dāng)施加電場時，仿海豹機(jī)器人可以通過石墨烯振蕩器的往復(fù)振蕩在電極板上實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動。在30秒內(nèi)，機(jī)器人運(yùn)動了約49mm距離。該仿海豹機(jī)器人還可以攜帶一個約為自重5.2倍（44.6mg）的物體向前運(yùn)動。這表明了該機(jī)器人在特殊場景中的潛在應(yīng)用，如在狹窄的帶電環(huán)境中運(yùn)輸物體、檢測等。

圖3 以石墨烯振蕩器為馬達(dá)的仿海豹機(jī)器人在電場驅(qū)動下自主爬行運(yùn)動，及攜帶物體運(yùn)動

通過電場驅(qū)動的機(jī)械振蕩運(yùn)動，可以初步實(shí)現(xiàn)仿海豹機(jī)器人的自主運(yùn)動。然而，僅靠振蕩運(yùn)動很難控制機(jī)器人的運(yùn)動方向。因此，進(jìn)一步引入能產(chǎn)生可逆變形的柔性驅(qū)動器作為仿生前鰭，來控制運(yùn)動的方向。為了減少仿生前鰭的加入對機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的影響，選擇了能遠(yuǎn)程操控的光驅(qū)動器來構(gòu)建仿生前鰭。當(dāng)施加直流電壓后，石墨烯振蕩器產(chǎn)生振蕩推動機(jī)器人前進(jìn)。在此過程中，外部光束照射到光驅(qū)動器上，使其變形并接觸到下極板，導(dǎo)致移動中的機(jī)器人轉(zhuǎn)向。作為驗(yàn)證，展示了仿海豹機(jī)器人在電壓和光照的雙重刺激下，以“S”軌跡繞過兩個障礙物。

該石墨烯振蕩器以及仿生機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡易、機(jī)械能持續(xù)輸出、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于緊湊型電力設(shè)備、氣體絕緣輸電線路的內(nèi)部運(yùn)行和巡檢。此外，作為一種機(jī)械輸出穩(wěn)定的新型電機(jī)，石墨烯振蕩器有望通過電極的小型化和柔性化進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，在新型智能機(jī)械系統(tǒng)和微型軟機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的前景。

圖4 光/電操控的仿海豹機(jī)器人及其可控運(yùn)動

在柔性智能光驅(qū)動器的應(yīng)用方面，該團(tuán)隊(duì)針對低頻噪聲污染的高效聲衰減需求，與愛沙尼亞塔爾圖大學(xué)等多單位合作，首次將光活性聚合物智能材料與聲學(xué)超材料結(jié)合，提出了一種新型可編程光調(diào)制吸聲體（LMA）的概念，其通過光響應(yīng)柔性智能驅(qū)動材料實(shí)現(xiàn)了無束縛、超寬帶聲學(xué)調(diào)制。與幾何結(jié)構(gòu)固定、可調(diào)性有限的傳統(tǒng)超材料不同，LMA可在緊湊構(gòu)型中實(shí)現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)，從而在低強(qiáng)度光刺激下，實(shí)現(xiàn)對吸聲特性的可編程控制。相關(guān)成果以“A programmable acoustic metamaterial: achieving untethered ultra-broadband modulation with photoactive structural transition”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。

圖5 LMA概念及兩種LMA結(jié)構(gòu)示意圖

此外，該團(tuán)隊(duì)還與哈爾濱工業(yè)大學(xué)彭慶宇教授合作，開發(fā)了一種具有“類二極管式”變形行為的濕度響應(yīng)MXene柔性薄膜驅(qū)動器?；谄浜穸忍荻冉Y(jié)構(gòu)以及MXene/羧甲基殼聚糖復(fù)合物對水分子的高度敏感性，該薄膜驅(qū)動器能夠在水分梯度刺激下產(chǎn)生“類二極管式”的驅(qū)動變形行為，其變形行為與厚度梯度方向以及水分源的方向高度相關(guān)。當(dāng)水分刺激復(fù)合膜底部時，薄膜的彎曲軸垂直于厚度梯度方向；當(dāng)水分刺激復(fù)合膜頂部時，薄膜的彎曲軸平行于厚度梯度方向?；谠撊嵝则?qū)動器獨(dú)特的濕度響應(yīng)行為，發(fā)展了一系列智能應(yīng)用，包括水分梯度刺激下的柔性自振蕩器件，以及基于人體代謝水分刺激的智能非接觸開關(guān)、非接觸鍵盤、可穿戴智能熱管理服飾、可識別人體呼吸狀態(tài)的自供電傳感器等。相關(guān)成果以題為“MXene/Carboxymethyl Chitosan Moisture Responsive Soft Actuator with Diode-Like Actuation for Versatile Applications Driven by Human Metabolism”的論文發(fā)表在《Advanced Science》上。

圖6基于該復(fù)合膜驅(qū)動器的智能應(yīng)用

上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金等資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512768

https://doi.org/10.1039/D5MH01152C

https://doi.org/10.1002/advs.202507845

新聞鏈接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/74329.htm

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