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  機(jī)器人除了滿足日常的需要外，還需要在惡劣的環(huán)境下工作。對(duì)于彈跳機(jī)器人的材料設(shè)計(jì)，需要同時(shí)滿足強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力，短時(shí)間內(nèi)大的彎曲曲率，良好的環(huán)境耐受性。為了解決這一挑戰(zhàn)，南開(kāi)大學(xué)劉遵峰教授、美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)方磊教授、中國(guó)藥科大學(xué)周湘副教授合作，發(fā)明了一種具有蝦殼結(jié)構(gòu)的薄膜彈跳驅(qū)動(dòng)器，由共軛的梯狀聚合物poly(indenoquinacridone)（PIQA）和各向異性的碳納米管薄膜（CNS）復(fù)合而成。PIQA/CNS薄膜的多孔結(jié)構(gòu)保證了快速吸收和釋放有機(jī)蒸汽。得益于梯狀聚合物PIQA的優(yōu)異穩(wěn)定性，此驅(qū)動(dòng)器不僅可以承受225°C高溫，而且浸泡在多種有機(jī)溶劑中不被腐蝕，甚至可以在濃硫酸中爬行。PIQA/CNS驅(qū)動(dòng)器不僅能夠在復(fù)雜惡劣條件下工作，而且為性能優(yōu)異的彈跳機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)策略。

  千百年的進(jìn)化使得自然界中的昆蟲(chóng)和動(dòng)物有不同的運(yùn)動(dòng)方式，包括行走、爬行、跳躍等。設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)這些驅(qū)動(dòng)方式的軟體爬行機(jī)器人很有意義。相比爬行驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)健的彈跳機(jī)器人要求更高，需要滿足（1）分子剛性強(qiáng)，能夠有大的驅(qū)動(dòng)力和足夠快的響應(yīng)速度，（2）高的靈活性以獲得高的彎曲曲率。根據(jù)前人的報(bào)道，由彈性體或水凝膠組成的膜驅(qū)動(dòng)器雖然彎曲曲率大，但驅(qū)動(dòng)力小速度慢；而基于硬質(zhì)材料的驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生大的速度和驅(qū)動(dòng)力，但是彎曲曲率小，所以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大的驅(qū)動(dòng)力、高的驅(qū)動(dòng)速度和大的彎曲角度是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  盡管彈跳驅(qū)動(dòng)器也有些許報(bào)道，但是有一個(gè)問(wèn)題有待解決，就是需要在惡劣的環(huán)境條件下工作。相比普通的單鏈高分子材料，該研究團(tuán)隊(duì)制備了梯狀聚合物PIQA，其有高模量、高的熱穩(wěn)定性以及抗溶劑能力，其剛性和脆性的弱點(diǎn)，可以通過(guò)與CNT復(fù)合形成“蝦殼結(jié)構(gòu)”來(lái)解決。

  PIQA/CNS的制備過(guò)程如下：將PIQA的前體poly(aniline-co-fluorene) (PAF)溶解在甲磺酸中，形成均相溶液，將其滴涂在各向異性的碳納米管膜(化學(xué)氣相沉積法得到)上，烘箱150°C處理得到雙層膜，其中PIQA層的一部分可以滲入碳納米管薄膜中，其芳香共軛骨架與碳納米管形成良好的界面。該雙層薄膜可作為雙晶片驅(qū)動(dòng)器，在有機(jī)溶劑蒸汽刺激下，PIQA層具有極性官能團(tuán)(–C=O and –NH)吸收溶劑膨脹，可以作為驅(qū)動(dòng)層；CNS層作為支撐層，從而引起形變驅(qū)動(dòng)。形變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使剛性的PIQA層斷裂，但其又緊密貼附在碳納米管層表面，形成“蝦殼結(jié)構(gòu)”。這種結(jié)構(gòu)不僅呈現(xiàn)了PIQA的剛性，能夠?qū)崿F(xiàn)大的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)速度；也展現(xiàn)了與PIQA緊密連接的CNT膜的柔性，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器大的彎曲形變曲率和靈活性。

圖1 具有蝦殼結(jié)構(gòu)的PIQA/CNS薄膜的制備和驅(qū)動(dòng)原理

  令人驚喜的是，PIQA/CNS驅(qū)動(dòng)器的性能十分優(yōu)異。將其放在二氯甲烷液面上，薄膜在伸展過(guò)程的4.33 s彎曲速度602.8 °/s, 彎曲角度261°/mm，在整個(gè)9.17s驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，彎曲速度314.1°/s，彎曲角度288°/mm；當(dāng)將其放在二氯甲烷蒸汽接近飽和的液面上，在伸展過(guò)程0.3s內(nèi)，彎曲角度188°/mm，彎曲速度6000°/s，整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程0.58 s內(nèi)，驅(qū)動(dòng)速度4013.7°/s，彎曲角度234°/mm；當(dāng)向驅(qū)動(dòng)器吹溶劑蒸汽(22.7 mg/s)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間0.04 s，驅(qū)動(dòng)速度7875°/s。其最大的彎曲角度288°/mm，最快的響應(yīng)時(shí)間0.04 s，這是現(xiàn)有報(bào)道的性能最好的薄膜驅(qū)動(dòng)器之一。

圖2 PIQA/CNS驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能以及與文獻(xiàn)對(duì)比

圖3 PIQA/CNS驅(qū)動(dòng)器的彈跳性能

圖4 PIQA/CNS的耐高溫耐極端溶劑環(huán)境性能比較

  該彈跳機(jī)器人為機(jī)器人和智能裝備在快速響應(yīng)和實(shí)踐操作等方面的設(shè)計(jì)提供了靈感，其環(huán)境耐受性可確保其在極熱或者極端環(huán)境條件下運(yùn)行，例如探測(cè)宇宙，登陸月球和火星。此外，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)也為微操控、微芯片、超靈敏檢測(cè)揮發(fā)性氣體、以及其它仿生應(yīng)用提供了新的可能。

  本研究在國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金和南開(kāi)大學(xué)相關(guān)計(jì)劃等資助下完成，成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Advanced Materials上。南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授，中國(guó)藥科大學(xué)周湘副教授，美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)方磊教授為該文章的共同通訊作者，于凱晴、季小周和袁天宇為共同第一作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104558

  劉遵峰教授課題組網(wǎng)站：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn/

  方磊教授課題組網(wǎng)站：https://www.chem.tamu.edu/rgroup/fang/