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東華大學熊佳慶課題組 Adv. Mater.：微纖維兩棲軟體機器人實現(xiàn)電磁輻射動態(tài)感知

2024-09-30 來源：高分子科技

軟體機器人在環(huán)境探測、信息采集、緊急救援、智能裝備、人-機-環(huán)境交互等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用需求。目前大多數(shù)軟體機器人運動模式單一，無法實現(xiàn)多環(huán)境適應(yīng)性運動與環(huán)境自主感知。光熱響應(yīng)軟體機器人具有刺激源豐富、響應(yīng)快速和高環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢。現(xiàn)有的光熱致動器大多通過在柔性基質(zhì)中整合各類光熱填料實現(xiàn)，其微觀結(jié)構(gòu)、力學性能和局部響應(yīng)可調(diào)控性較差，限制了結(jié)構(gòu)/性能可編程軟體機器人的開發(fā)。當前，微結(jié)構(gòu)主導光熱致動的智能響應(yīng)材料研究較少，主要挑戰(zhàn)在于難以精確協(xié)同材料的機械變形性和光熱響應(yīng)性。多孔材料（例如氣凝膠）通常具有較高比表面積，能夠提供蜿蜒曲折的透光路徑，減少光學散射/反射損失，從而提高光熱轉(zhuǎn)換效率，但這類塊體多孔材料的高厚度限制了其致動性能。相比之下，微纖維膜（MFF）具有微觀結(jié)構(gòu)和機械性能易調(diào)控性，為實現(xiàn)以微觀結(jié)構(gòu)主導的可編程光熱致動器提供了理想素材。

傳統(tǒng)MFF機械強度較差，難以實現(xiàn)高效致動性。當前，尚缺乏一種策略，能夠兼顧光熱致動器在微結(jié)構(gòu)、材料與功能方面的靈活性與可編程性，以同步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光熱效應(yīng)、機械可變形性、致動可設(shè)計性與環(huán)境感知功能。MFF在結(jié)構(gòu)和力學性能方面具備高設(shè)計性，有望克服領(lǐng)域挑戰(zhàn)，開發(fā)以結(jié)構(gòu)光熱效應(yīng)為主導、具備優(yōu)異機械性能的高性能光熱致動器，并賦予其同步的電學感知能力。例如電磁輻射（EMR）（一種廣泛存在于環(huán)境中的污染/危害源）的多場景動態(tài)檢測，對提升生產(chǎn)/生活環(huán)境安全性有重要意義。目前，尚未有環(huán)境EMR感知型光熱致動器及多環(huán)境自適應(yīng)運動軟體機器人的報道。

近日，東華大學熊佳慶課題組提出微纖維膜的熱壓編程策略，開發(fā)出一種基于微熔多孔微纖維膜（MFF）致動器的兩棲軟體機器人，實現(xiàn)了對電磁輻射（EMR）的可靠動態(tài)檢測。微熔多孔MFF致動器由聚偏氟乙烯熱壓纖維膜（HP-P）和導電織物組成。通過熱壓獲得了光熱轉(zhuǎn)化性能優(yōu)異、機械性能良好的MFF，確保了致動器優(yōu)異的響應(yīng)速度（0.068 cm^-1s^-1）和彎曲曲率（0.63 cm^-1）。這一雙層結(jié)構(gòu)致動器具有良好的界面可靠性和變形持久性。通過二次/多次熱壓，實現(xiàn)了致動器厚度、結(jié)構(gòu)取向、組裝方式、局部黑磷（BP）光熱增強圖案的高效編程，進而豐富和精確控制其致動行為，展示了2D-3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換式致動器、跳躍機器人，以及具有水-陸自適應(yīng)運動機制的兩棲機器人。利用導電織物層的電磁感應(yīng)效應(yīng)，機器人可在移動過程中同步感知環(huán)境EMR，靈敏度高達99.73% ± 0.15%（陸地）和99.51% ± 0.17%（水上），顯示優(yōu)于便攜式商用電磁探測儀的檢測適應(yīng)性（強度范圍0.1 W ~ 3000 W，有效距離~ 9 m）。該工作為環(huán)境交互智能材料和多場景適應(yīng)/自主感知型軟體機器人的開發(fā)提供了新的可能。相關(guān)研究以“Microfiber Actuators With Hot-Pressing-Programmable Mechano-Photothermal Responses for Electromagnetic Perception”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，論文第一作者為東華大學博士生吳夢婕，通訊作者為熊佳慶教授。該工作得到國家自然科學基金委（52103254, 52273244）等項目的資助。

圖1. EMR感知型光熱增強MFF致動器

受青蛙兩棲特性和聲學感知的啟發(fā)，作者開發(fā)了一種光熱致動器，實現(xiàn)了爬行/跳躍、兩棲行走和同步EMR檢測（圖1）。通過對靜電紡絲膜（ES-P）進行熱壓處理，開發(fā)了兼顧高機械性能、高孔隙率、且厚度可調(diào)的微熔多孔MFF，實現(xiàn)了高效光熱轉(zhuǎn)換和局部BP光熱增強圖案化編程。與未經(jīng)處理的ES-P薄膜相比，HP-P薄膜制作的仿生花致動器展現(xiàn)出顯著增強的光熱致動能力。

圖2. 機械-光熱協(xié)同增強的HP-P致動器

HP-P致動器由HP-P薄膜與導電織物構(gòu)成。相較于導電織物（熱膨脹系數(shù)5.71 ppm K^-1，光熱轉(zhuǎn)換速度0.16 ℃ s^-1），HP-P薄膜具有更高的熱膨脹系數(shù)（538.51 ppm K^-1）和光熱轉(zhuǎn)換速度（0.78 ℃ s^-1）。在光熱刺激下，HP-P薄膜吸收紅外輻射實現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換和熱膨脹，而導電織物則維持相對穩(wěn)定的溫度和尺寸，導致器件發(fā)生不對稱膨脹和彎曲變形。此外，熱壓工藝不僅提高了MFF的光熱轉(zhuǎn)換效率，還改善了MFF機械性能。在相同厚度（170 μm）下，HP-P薄膜表現(xiàn)出提升的彈性模量（378 MPa）、斷裂韌性（87.26 MJ m^-3）和極限拉伸強度（31.54 MPa）。相應(yīng)致動器彎曲速度達0.039 cm^-1s^-1，彎曲曲率達0.44 cm^-1，在1000次重復致動變形后依然維持界面穩(wěn)定性和響應(yīng)可靠性（圖2）。

圖3. 熱壓可編程光熱致動器和機器人

熱壓加工還可對致動器的厚度、變形取向、組裝方式和光熱響應(yīng)部位等進行精準編程，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可定制化的智能響應(yīng)材料。例如，通過使用特定方向平行圖案的熱壓模具可制造不同彎曲方向的致動器；通過不同方式組裝致動器，可創(chuàng)建多種2D-3D可重構(gòu)智能變形材料，如異向變形人造花和網(wǎng)狀超材料。此外，通過厚度編程及結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)高度/方向可調(diào)的跳躍致動器。進一步，基于HP-P薄膜局部BP光熱圖案的編程設(shè)計，結(jié)合非對稱變形結(jié)構(gòu)和足部竹筏仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，作者開發(fā)了一種紅外觸發(fā)式蠕蟲機器人，實現(xiàn)了同一光源刺激下具有不同運動機理的自適應(yīng)水-陸兩棲運動（圖3）。

圖4. EMR感知型陸地機器人

此外，由于導電織物層的電磁感應(yīng)效應(yīng)，該MFF致動器具備出色的EMR感知能力，能夠在EMR周圍產(chǎn)生感應(yīng)電壓，有效檢測0.1 W ~ 3000 W范圍內(nèi)電器的電磁輻射，探測距離可達9米，檢測靈敏度高達99.73% ± 0.15%，相較于商用探測器，顯示出更寬泛的有效探測距離和應(yīng)用適應(yīng)性。此外，該致動器的EMR感知能力表現(xiàn)出優(yōu)異的機械耐久和熱穩(wěn)定性，為EMR遠程信息采集和安全防護等應(yīng)用提供了新思路（圖4）。

圖5. EMR感知型水生和兩棲機器人

利用HP-P薄膜的疏水性和光熱效應(yīng)，可在水上產(chǎn)生Marangoni推進力，實現(xiàn)光熱操控的多方向和曲線運動。通過在HP-P致動器邊緣部署B(yǎng)P光熱增強圖案，可提升光熱Marangoni推進力，實現(xiàn)了物體裝載、運輸及水上迷宮穿越。受此啟發(fā)開發(fā)了水陸兩棲機器人，通過足部BP圖案增強光熱效應(yīng)，結(jié)合仿生“竹筏”中空陣列結(jié)構(gòu)，提高了浮力和方向穩(wěn)定性，實現(xiàn)了水上可控運動。該兩棲機器人無論在水面還是陸地均能穩(wěn)定感知EMR，顯示出高靈敏動態(tài)EMR檢測能力（圖5）。

本文通過熱壓編程策略，開發(fā)出一種高性能的纖維膜光熱致動器，并實現(xiàn)對EMR的動態(tài)感知。熱壓成型的微熔多孔纖維膜同時增強了薄膜的光熱效應(yīng)、機械強度和韌性，使纖維致動器展示出優(yōu)異響應(yīng)速度、彎曲曲率和循環(huán)穩(wěn)定性；同時，利用致動器厚度、結(jié)構(gòu)取向、組裝方式和局部光熱圖案的精確調(diào)控，展示了多種2D-3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換式智能變形材料、爬行/跳躍機器人、水上機器人和兩棲機器人，實現(xiàn)了致動器在復雜環(huán)境中動態(tài)檢測EMR的能力。兩棲機器人可在同一刺激下自主適應(yīng)陸地和水域環(huán)境，顯示了優(yōu)異的動態(tài)EMR感知能力和應(yīng)用場景適應(yīng)性。這項工作可為高性能纖維材料的開發(fā)提供策略參考，并為開發(fā)具有自主環(huán)境適應(yīng)/感知能力的智能材料和軟體機器人提供啟發(fā)。

論文信息：M Wu, X Zhou, J Zhang, L Liu, S Wang, L Zhu, Z Ming, Y Zhang, Y Xia, W Li, Z Zhou, M Fan, J Xiong*, Microfiber Actuators With Hot-Pressing-Programmable Mechano-Photothermal Responses for Electromagnetic Perception, Advanced Materials, 2024, 10.1002/adma.202409606.

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202409606

課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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（責任編輯：xu）

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