寧波材料所在4D打印自傳感光響應(yīng)相變軟體執(zhí)行器方面取得進(jìn)展
氣動(dòng)執(zhí)行器因其彎曲程度高、自由度大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在醫(yī)療保健、復(fù)雜地形勘探等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但由于其壓力系統(tǒng)離不開笨重且剛性的泵驅(qū)動(dòng)氣體設(shè)備，極大地限制了執(zhí)行器的尺寸和移動(dòng)性，以及在室外環(huán)境中的應(yīng)用。液-氣相變復(fù)合材料是一種在柔性彈性體中摻雜液-氣相變材料而形成的智能材料。當(dāng)溫度達(dá)到材料沸點(diǎn)時(shí)，液滴蒸發(fā)產(chǎn)生壓力，帶動(dòng)復(fù)合材料膨脹，因此每個(gè)微液滴都可以看作是一個(gè)氣動(dòng)單元。通過這種方式，將氣源和氣泵的功能集成到主要材料中，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。然而，相變執(zhí)行器的加熱方式受到焦耳加熱或環(huán)境加熱的限制，需要外接電源或更高的環(huán)境溫度，這阻礙了其更廣泛的應(yīng)用。此外，目前對執(zhí)行器變形行為的監(jiān)測通常由光學(xué)相機(jī)記錄，然后對獲得的圖像進(jìn)行后分析，缺乏實(shí)時(shí)性。因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)無系繩，且具有感知自身運(yùn)動(dòng)的柔性執(zhí)行器仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
針對上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造材料技術(shù)團(tuán)隊(duì)程昱川研究員和孫愛華研究員基于石墨烯、低沸點(diǎn)溶液微滴和硅橡膠，制備了一種集成變形驅(qū)動(dòng)和傳感特性于一體的光響應(yīng)液-氣相變彈性體（PRPTE）（如圖1）。PRPTE具有優(yōu)異的機(jī)械性能，在100℃時(shí)，低沸點(diǎn)發(fā)生液-氣相變產(chǎn)生的軸向力可以高達(dá)自身重量的400倍，且穩(wěn)定性良好。以該材料為主動(dòng)層材料，團(tuán)隊(duì)采用4D打印技術(shù)制備了一系列柔性執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)彎曲、抓取和爬行等光控程序化運(yùn)動(dòng)（如圖3）。
尤其重要的是，基于電容變化PRPTE表現(xiàn)出自傳感特性。石墨烯吸收近紅外光產(chǎn)生熱量，低沸點(diǎn)液體發(fā)生液-氣相變，介電常數(shù)減小；石墨烯因硅橡膠膨脹而逐漸分散，彈性體介電常數(shù)減小；同時(shí)電極間距增大。在以上三個(gè)因素的共同作用下，PRPTE的電容會(huì)迅速減小，從而實(shí)現(xiàn)對其變形的實(shí)時(shí)感知。模仿生物體利用其自身信號反饋調(diào)節(jié)肌肉收縮和拉伸，從而進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)制備了一種人工肌肉（如圖2）。該人工肌肉可以通過反饋的電容值得知腿部彎曲角度，并根據(jù)需要的角度進(jìn)行精確控制。該研究實(shí)現(xiàn)了柔性執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)/傳感一體化功能集成，為設(shè)計(jì)和制造具有集成自感知能力的軟機(jī)器人提供了新思路。
該工作以“4D printing Light-Driven soft actuators based on Liquid-Vapor phase transition composites with inherent sensing capability”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140271 （https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140271）。本研究得到了浙江省自然科學(xué)基金（No.LZ22E030003）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2021YFB3701500）、國家自然科學(xué)基金（No.11874366）和寧波市重大科技攻關(guān)（No.20211ZDYF020228）等項(xiàng)目的支持。
圖1 PRPTE執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)、傳感原理和制造
圖2 PRPTE傳感性能的表征
圖3 4D打印PRPTE/PDMS雙層結(jié)構(gòu)執(zhí)行器
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