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東華大學(xué)熊佳慶課題組 Adv. Mater.：微纖維兩棲軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)電磁輻射動(dòng)態(tài)感知
2024-09-30  來源：高分子科技

  軟體機(jī)器人在環(huán)境探測(cè)、信息采集、緊急救援、智能裝備、人-機(jī)-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(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式單一，無法實(shí)現(xiàn)多環(huán)境適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)與環(huán)境自主感知。光熱響應(yīng)軟體機(jī)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(shì)，F(xiàn)有的光熱致動(dòng)器大多通過在柔性基質(zhì)中整合各類光熱填料實(shí)現(xiàn)，其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)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(jī)器人的開發(fā)。當(dāng)前，微結(jié)構(gòu)主導(dǎo)光熱致動(dòng)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(jī)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(xué)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(dòng)性能。相比之下，微纖維膜（MFF）具有微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能易調(diào)控性，為實(shí)現(xiàn)以微觀結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的可編程光熱致動(dòng)器提供了理想素材。


  傳統(tǒng)MFF機(jī)械強(qiáng)度較差，難以實(shí)現(xiàn)高效致動(dòng)性。當(dāng)前，尚缺乏一種策略，能夠兼顧光熱致動(dòng)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光熱效應(yīng)、機(jī)械可變形性、致動(dòng)可設(shè)計(jì)性與環(huán)境感知功能。MFF在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能方面具備高設(shè)計(jì)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(dǎo)、具備優(yōu)異機(jī)械性能的高性能光熱致動(dòng)器，并賦予其同步的電學(xué)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(chǎng)景動(dòng)態(tài)檢測(cè)，對(duì)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(dòng)器及多環(huán)境自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的報(bào)道。


  近日，東華大學(xué)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(dòng)器的兩棲軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁輻射（EMR）的可靠動(dòng)態(tài)檢測(cè)。微熔多孔MFF致動(dòng)器由聚偏氟乙烯熱壓纖維膜（HP-P）和導(dǎo)電織物組成。通過熱壓獲得了光熱轉(zhuǎn)化性能優(yōu)異、機(jī)械性能良好的MFF，確保了致動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了致動(dòng)器厚度、結(jié)構(gòu)取向、組裝方式、局部黑磷（BP）光熱增強(qiáng)圖案的高效編程，進(jìn)而豐富和精確控制其致動(dòng)行為，展示了2D-3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換式致動(dòng)器、跳躍機(jī)器人，以及具有水-陸自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的兩棲機(jī)器人。利用導(dǎo)電織物層的電磁感應(yīng)效應(yīng)，機(jī)器人可在移動(dòng)過程中同步感知環(huán)境EMR，靈敏度高達(dá)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(cè)儀的檢測(cè)適應(yīng)性（強(qiáng)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(chǎng)景適應(yīng)/自主感知型軟體機(jī)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(xué)博士生吳夢(mèng)婕，通訊作者為熊佳慶教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金委（52103254, 52273244）等項(xiàng)目的資助。


圖1. EMR感知型光熱增強(qiáng)MFF致動(dòng)器


  受青蛙兩棲特性和聲學(xué)感知的啟發(fā)，作者開發(fā)了一種光熱致動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了爬行/跳躍、兩棲行走和同步EMR檢測(cè)（圖1）。通過對(duì)靜電紡絲膜（ES-P）進(jìn)行熱壓處理，開發(fā)了兼顧高機(jī)械性能、高孔隙率、且厚度可調(diào)的微熔多孔MFF，實(shí)現(xiàn)了高效光熱轉(zhuǎn)換和局部BP光熱增強(qiáng)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(dòng)器展現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的光熱致動(dòng)能力。


圖2. 機(jī)械-光熱協(xié)同增強(qiáng)的HP-P致動(dòng)器


  HP-P致動(dòng)器由HP-P薄膜與導(dǎo)電織物構(gòu)成。相較于導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換和熱膨脹，而導(dǎo)電織物則維持相對(duì)穩(wěn)定的溫度和尺寸，導(dǎo)致器件發(fā)生不對(duì)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(jī)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(qiáng)度（31.54 MPa）。相應(yīng)致動(dòng)器彎曲速度達(dá)0.039 cm-1 s-1，彎曲曲率達(dá)0.44 cm-1，在1000次重復(fù)致動(dòng)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(dòng)器和機(jī)器人


  熱壓加工還可對(duì)致動(dòng)器的厚度、變形取向、組裝方式和光熱響應(yīng)部位等進(jìn)行精準(zhǔn)編程，實(shí)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(dòng)器；通過不同方式組裝致動(dòng)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(jì)，可實(shí)現(xiàn)高度/方向可調(diào)的跳躍致動(dòng)器。進(jìn)一步，基于HP-P薄膜局部BP光熱圖案的編程設(shè)計(jì)，結(jié)合非對(duì)稱變形結(jié)構(gòu)和足部竹筏仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作者開發(fā)了一種紅外觸發(fā)式蠕蟲機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了同一光源刺激下具有不同運(yùn)動(dòng)機(jī)理的自適應(yīng)水-陸兩棲運(yùn)動(dòng)（圖3）。


圖4. EMR感知型陸地機(jī)器人


  此外，由于導(dǎo)電織物層的電磁感應(yīng)效應(yīng)，該MFF致動(dòng)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(cè)0.1 W ~ 3000 W范圍內(nèi)電器的電磁輻射，探測(cè)距離可達(dá)9米，檢測(cè)靈敏度高達(dá)99.73% ± 0.15%，相較于商用探測(cè)器，顯示出更寬泛的有效探測(cè)距離和應(yīng)用適應(yīng)性。此外，該致動(dòng)器的EMR感知能力表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久和熱穩(wěn)定性，為EMR遠(yuǎn)程信息采集和安全防護(hù)等應(yīng)用提供了新思路（圖4）。


圖5. EMR感知型水生和兩棲機(jī)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(jìn)力，實(shí)現(xiàn)光熱操控的多方向和曲線運(yùn)動(dòng)。通過在HP-P致動(dòng)器邊緣部署B(yǎng)P光熱增強(qiáng)圖案，可提升光熱Marangoni推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)了物體裝載、運(yùn)輸及水上迷宮穿越。受此啟發(fā)開發(fā)了水陸兩棲機(jī)器人，通過足部BP圖案增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了水上可控運(yùn)動(dòng)。該兩棲機(jī)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(dòng)態(tài)EMR檢測(cè)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(dòng)器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)EMR的動(dòng)態(tài)感知。熱壓成型的微熔多孔纖維膜同時(shí)增強(qiáng)了薄膜的光熱效應(yīng)、機(jī)械強(qiáng)度和韌性，使纖維致動(dòng)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(shí)，利用致動(dòng)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(jī)器人、水上機(jī)器人和兩棲機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了致動(dòng)器在復(fù)雜環(huán)境中動(dòng)態(tài)檢測(cè)EMR的能力。兩棲機(jī)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(dòng)態(tài)EMR感知能力和應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)性。這項(xiàng)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(jī)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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