薄膜驅動器能夠實現如行走、爬行、跳躍等復雜的運動形式，并且具有柔性高、形狀可塑強和刺激響應塊等一系列優點，因此在智能仿生設備、傳感器和軟機器人領域引起了廣泛關注。近年來，許多研究工作致力于構造結構簡單、響應快、驅動大、運動復雜的薄膜驅動器來模擬生物運動。然而，薄膜驅動器對環境的適應性、運動信息反饋和環境信息反饋等方面缺乏系統性的討論與研究。摩擦納米發電機(TENG)能夠基于摩擦電效應和靜電感應實現機械能到電能的轉換，在自供電傳感器和微納能源等領域廣泛應用。通過將薄膜驅動器與TENG相結合，有望實現薄膜式的光/熱致動-信息探測-電信號反饋的一體化器件。
本文利用PET、炭黑油墨和PDMS材料設計了一種三明治結構的薄膜驅動器，通過引入了摩擦納米發電機，實現了對運動信息的反饋和環境的反饋。該薄膜驅動器在80 ℃的熱環境下可產生約840°彎曲形變。器件在經歷高濕度，高溫度，化學試劑等環境后保持性能的穩定，在不使用形狀記憶材料的情況下，表現出良好的可塑性和形狀記憶性。該薄膜器件與環境物體發生接觸時，可作為單電極工作模式的TENG產生峰值5 V的電信號反饋；當自身運動時能夠產生峰值為3.7 V的實時反饋；在此基礎上，設計了一種具有反饋機制的機械夾持器，能夠利用光/熱工作，實現對輕重量物體的抓取和操縱，并產生峰值4.5 V的實時反饋。通過薄膜驅動器和TENG的結合，驗證了一種能夠以光/熱為能源，可實現機械運動和電信號反饋一體化的智能薄膜器件。該成果以“Bio-inspired soft actuator with contact feedback based on photothermal effect and triboelectric nanogenerator”為題發表在Nano Energy上。文章的第一作者是廣西大學的碩士研究生金旭。該研究得到了國家自然科學基金委的支持。
圖1 薄膜驅動器的機械性能，（a）80℃固化的薄膜驅動器的彎曲形變照片，（b）150℃固化的薄膜驅動器的彎曲形變照片，（c）薄膜驅動器的形狀記憶效果展示照片
圖2 薄膜驅動器的接觸反饋性能，（a）仿生蛙舌驅動器的示意圖與照片，（b）薄膜驅動器電信號產生的過程示意圖，（c）薄膜驅動器發電過程的COMSOL仿真結果，（d）薄膜驅動器與不同材料接觸過程中的開路電壓信號曲線，（e）與PTFE接觸時的開路電壓曲線，（f）薄膜驅動器在水平面上運動的照片與（g）電反饋波形，（h）薄膜驅動器抓取物體的照片與（i）實時反饋波形。
通過結合薄膜驅動器和TENG，設計了一種能夠利用光/熱驅動的自反饋的智能薄膜，實現良好的環境穩定性與機械記憶性。該薄膜驅動器可作為機械運動、信息探測和電信號反饋一體化的智能器件，在之后的工作中，可以將該器件與智能傳輸模塊相結合，實現光/熱能源采集、環境信息收集和信息無線傳輸一體化的器件，為薄膜驅動器的應用提供了一種創新和可行的方法。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107366
