寧波材料所在魚鰾啟發(fā)的水下自感知軟體驅(qū)動(dòng)器方面取得進(jìn)展
基于中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員課題組在柔性傳感器和軟驅(qū)動(dòng)器方面的研究基礎(chǔ)(Adv. Mater., 2020, 2004290; Nat. Commun., 2020, 11, 4359; Angew. Chem. Int.Ed., 2019, 58,16243; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666等)。近期,受到小丑魚魚鰾同時(shí)具有感知和變形驅(qū)動(dòng)功能的啟發(fā),開發(fā)了一種水下自感知的軟驅(qū)動(dòng)器。
該工作通過在水/空界面制備超薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和PDMS/碳納米管(CNTs) Janus膜,由于其良好的自適性和粘性,通過將上述薄膜無縫轉(zhuǎn)移集成為一個(gè)三明治復(fù)合膜,以模仿魚鰾膜。以可拉伸的彈性PDMS基體模仿魚鰾的充氣/放氣變形行為,而用導(dǎo)電CNTs網(wǎng)絡(luò)薄膜模仿魚鰾具有類似皮膚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感知功能。由于復(fù)合薄膜良好的彈性、自適性和保形性,它可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至一個(gè)中空的模型上形成自封閉的人工魚鰾。外界氣壓的變化時(shí),會(huì)引起復(fù)合膜發(fā)生膨脹或者凹陷變形。根據(jù)壓阻傳感機(jī)理,復(fù)合薄膜的這種形變會(huì)引起碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)間接觸電阻的變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變形行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)將整個(gè)系統(tǒng)置于水中時(shí),可以用膜的膨脹和凹陷行為模仿魚鰾的充氣/放氣行為,通過調(diào)節(jié)外界氣壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在水中的上下運(yùn)動(dòng)行為的精確控制,同時(shí)其運(yùn)動(dòng)過程也可以通過電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外,還能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的監(jiān)測(cè)感知并根據(jù)感知信號(hào)執(zhí)行氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)行為。因此,該研究成功地將傳感和驅(qū)動(dòng)功能集成到一個(gè)三明治復(fù)合膜中,實(shí)現(xiàn)了協(xié)同仿生行為,在智能集成軟機(jī)器人方面展示出巨大的潛力。
該工作以題為“Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films”的論文發(fā)表在Nano Energy, 2020, DOI.org/10.1016/j.nanoen.2020.105617。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52073295,51803226)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDB-SSWSLH036)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局(174433KYSB20170061)、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(BX20180321)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2018M630695)和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)(2018B10057)等項(xiàng)目的資助。


(高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 梁云)