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  軟體驅(qū)動器（Soft Actuators）作為軟體機(jī)器人的“肌肉”，能夠在外界刺激（如濕度、光、電、熱等）下發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)抓取、爬行、開花等復(fù)雜動作。傳統(tǒng)雙層軟體驅(qū)動器通常由兩種對刺激響應(yīng)不同的材料構(gòu)成：一層主動膨脹或收縮，另一層相對惰性。差異響應(yīng)帶來顯著彎曲，但同時(shí)也帶來界面應(yīng)力集中、失配加劇，長期循環(huán)后易出現(xiàn)疲勞與斷裂。

  近日，南京郵電大學(xué)黃維院士、李佳慧副教授等人，采用真空自組裝/層層過濾策略，構(gòu)筑了二維材料基同構(gòu)異質(zhì)Janus 雙層薄膜，成功解決了驅(qū)動器在形變過程中由于應(yīng)力問題導(dǎo)致的長循環(huán)差，不可控等問題。實(shí)現(xiàn)了該工作以“Bimorph Soft Actuators Based on Isostructural Heterogeneous Janus Films”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章第一作者是南京郵電大學(xué)李佳慧副教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖1.IHJ薄膜的示意圖與表征。

  IHJ致動薄膜一側(cè)為 Ti₃C₂T_x MXene，另一側(cè)為 GO 與一維細(xì)菌纖維素（BC）納米纖維的復(fù)合層。BC 納米纖維在 GO 納米片間交織并通過氫鍵“縫合”，形成強(qiáng)度更高、層間滑移更溫和的復(fù)合骨架；MXene 層提供優(yōu)良導(dǎo)電與光熱響應(yīng)。兩層之間在二維層狀結(jié)構(gòu)上匹配，依靠氫鍵與范德華力形成平整致密的界面，顯著緩解了傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)的失配與疲勞問題（圖1）。

圖2.IHJ薄膜執(zhí)行器的形變機(jī)制。

  研究分別從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的角度深入分析了IHJ 薄膜實(shí)現(xiàn)可控驅(qū)動的的核心機(jī)理。結(jié)果表明“層間水分子吸脫附驅(qū)動的非對稱脹縮”是導(dǎo)致薄膜可控形變的主要原因。在濕度、電、熱、光等刺激下，GO-BC 側(cè)更易吸附并保持水分子，整體趨向收縮；MXene 側(cè)釋放水分更明顯，層間距相對擴(kuò)張。兩側(cè)“收—脹”不同步，產(chǎn)生內(nèi)在彎曲矩，驅(qū)動宏觀彎曲。（圖2）。

圖3. IHJ薄膜致動器的可控驅(qū)動探究。

  工作對IHJ薄膜通過電阻加熱驅(qū)動的可控驅(qū)動能力（方向和程度）進(jìn)行了全面研究。以可控直流電壓作為驅(qū)動力，則可以實(shí)現(xiàn)基于IHJ膜的致動器在0至2.5 V的低壓范圍內(nèi)的可控變形范圍。 形變過程不會導(dǎo)致MXene從GO-BC層脫離，這得益于二維材料中氫鍵作用和顯著的層間滑移特性——這一獨(dú)特優(yōu)勢使這類執(zhí)行器超越其他雙層膜驅(qū)動器。由于膜材超薄、超輕的特性及其優(yōu)異的耐熱性，執(zhí)行器通常能在10秒內(nèi)響應(yīng)刺激。IHJ薄膜展現(xiàn)出出色的循環(huán)性能，在2.5 V刺激下可承受100次重復(fù)動作而不明顯衰減，誤差范圍為0.5至5°。 因此，IHJ薄膜在低壓驅(qū)動下表現(xiàn)出快速響應(yīng)和循環(huán)穩(wěn)定性。

圖4. 軟機(jī)器人在多刺激下的應(yīng)用。

  工作進(jìn)一步針對IHJ薄膜設(shè)計(jì)了在電、濕度及光照刺激下的演示實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，采用四個由IHJ薄膜致動器制成的花瓣能在電阻加熱作用下靈活實(shí)現(xiàn)開合。通電時(shí)，熱阻效應(yīng)會引發(fā)層間水分子的顯著運(yùn)動，從而帶動花瓣逐漸展開。此外，柔軟的IHJ薄膜致動器憑借高導(dǎo)電性和靈敏的濕度響應(yīng)特性，為智能無源開關(guān)的開發(fā)鋪平了道路。該開關(guān)通過濕度驅(qū)動形變實(shí)現(xiàn)自動化控制進(jìn)一步，通過間歇性暴露于紅外燈下，IHJ薄膜能夠模擬出“毛毛蟲爬行”的運(yùn)動軌跡，充分展現(xiàn)了其卓越的顯著形變能力和靈活動態(tài)操控性能。

  總的來說，工作提出一種二維材料復(fù)合材料構(gòu)成的獨(dú)立式IHJ薄膜，并深入解析其工作原理及作為軟致動器的潛在應(yīng)用價(jià)值。該薄膜采用輕量化設(shè)計(jì)，可無縫集成到各類機(jī)器人系統(tǒng)中。憑借顯著的形變能力，這種材料具備執(zhí)行復(fù)雜動作的靈活性，為機(jī)器人應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。 此外，該薄膜對環(huán)境刺激的快速響應(yīng)特性及其多重響應(yīng)能力，使其能在多種工況下高效運(yùn)作。IHJ薄膜還具備低功耗優(yōu)勢，不僅提升了能效表現(xiàn)，更能確保長期穩(wěn)定運(yùn)行。憑借其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的生產(chǎn)成本，這款薄膜在軟體機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，堪稱理想之選。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16626