近年來，濕度智能驅動器受到了較多的關注，它可以將濕度激發的化學能轉化為機械能，最終呈現為智能驅動器的宏觀機械形變。對于濕度驅動器來說，它的關鍵在于利用材料或結構的機械性能不匹配性來完成相關的智能動作或指令。故濕度驅動器的設計關鍵在于結合材料與結構的特性。綜合學者們對濕度驅動器的研究，在制備設計過程中，常見的濕度驅動器的設計原理可大致概括為兩類：第一類是利用材料之間親水能力的差異來實現能量轉換和變形，常見的結構有Janus結構或三明治結構。這一類濕度驅動器有著明確的驅動機理和可控的形變方向，但在大角度形變或運動上，仍有待提高。第二類是關于相同材料的復合結構，它主要利用結構上的差異來實現濕度驅動響應，進而轉化為力學形變。其雖在角度形變方面具有優勢，但可能需要更多時間去完成。故如何通過合理的材料選擇和科學的結構設計制備出綜合驅動性能更為優異的濕度驅動器是目前仍需解決的問題。
針對上述問題，北京化工大學潘凱教授團隊、浙江大學朱林利教授團隊向自然界模仿學習，受到自然界軟體爬行動物的形態及運動方式的啟發，突破了上述常見的設計理念，結合力學模擬等多學科角度，制備出一種仿生周期梯度結構的單純GO膜濕度驅動器，實現了響應角度大，響應速率快，驅動行為可逆，循環重復性好的優異驅動性能。
周期排列微結構
研究發現在自然界中，無脊椎軟體爬行動物的運動方式與其身體結構有著密切的聯系，如毛毛蟲的分段結構。經啟發，作者利用模板法設計出具有有序微結構的GO膜，如圖1，可看出GO膜中具有周期排列的疏松及致密區域，二者片層間距有著明顯差異且存有一定梯度。
圖1 （a-b）具有周期梯度微結構GO膜的制備機制；（c）周期分段結構GO膜的SEM斷面圖；（d-e）疏松區域及致密區域的EDX分析。
濕度驅動性能
濕度驅動性能是濕度驅動器的關鍵，為清晰的定量分析，作者對響應彎曲角（θ °）進行自定義，如圖2，并進行對仿生GO膜進行“濕度驅動響應形變、響應速率、循環性”驅動性能測試，結果表明GO膜可在短時間內達到約1000 °的彎曲形變，且經過“高濕度-低濕度”多次循環測試仍保持穩定的響應角度；且同比于其他石墨烯基濕度驅動器，高濕度下仿生GO膜的驅動速率及形變角度更具優勢。
圖2 （a）響應角度示意圖；（b）在不同的相對濕度（RH）下彎曲形變角度圖；（c）在一系列相對濕度下響應時間及彎曲形變角度；（d）高低濕度下彎曲形變重復性實驗；（e）驅動速率及形變角度對比圖。
多學科角度驅動機理探究
為了定量地揭示仿生GO膜的濕度驅動機理，本文基于機械原理建立了一個力學模型，采用有限元方法進行模擬分析，以深入了解驅動行為在幾何結構、濕度及力學形變間的關系。作者提出，以單個疏密周期結構為例，相對濕度的增加允許更多的水分子進入GO片層間的空隙空間，從而導致GO膜沿薄膜的橫向方向膨脹，其中膨脹力與GO片層之間的層距離成反比。因此，當濕度增加時，GO薄膜中，致密段的膨脹力大于疏松部分的膨脹力，這種膨脹力的差異是驅動的動力源。同時在給定四分之一單元中，由于這兩個表面的層間距離不同，具有相同極角的上下表面的膨脹力是不同的，被認為是形變方向的決定性因素。如圖3所示，結果表明，模擬分析得到的形變效果與實際記錄結果有很好的吻合性，充分說明上述提出的驅動機理及建立的力學模型的科學性。
圖3 （a）GO膜驅動器的機械模型；（b）微結構中驅動機制示意圖；（c）局部GO膜的受力分析示意圖；（d）宏觀及微觀形變示意圖；（e-f）有限元模擬仿真結果及實驗結果。
驅動應用
優異的驅動性能及獨特的結構設計賦予仿生GO膜廣闊的應用空間，作者根據周期梯度GO薄膜的特性，成功制備了類似于毛毛蟲爬行運動的智能行走裝置（圖4），在循環濕度驅動下，可在帶有間隔相同的棘輪印記的紙板爬行移動，實現了智能行走裝置的可控可設計。
圖4 仿生智能步行設備在棘輪基板上的運動照片，“on”和“off”分別表示增加和減少相對濕度。
結合仿生GO膜的結構可知，由于周期性的微觀結構的存在，仿生GO膜濕度驅動器具有各向異性，因此，根據該種特性并結合自然界植物卷曲形態的啟發，作者對GO膜沿著與微結構排列方向呈0 °、45 °、90 °的方向進行裁剪，以實現方向及形態的控制（圖5），并為可編程式智能濕度驅動提供了廣闊的思路及發展空間。
圖5 0 °、45 °、90 °的切割角度下，GO膜的仿生各向異性彎曲形變。
該研究成果以“Bio-inspired high sensitivity of moisture-mechanical GO films with period-gradient structures”為題，發表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c07956）。論文的第一作者為北京化工大學碩士研究生王銘銻、浙江大學碩士研究生李祺聰，通訊作者為北京化工大學潘凱教授和浙江大學朱林利教授。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c07956
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