揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)廣泛存在于日常環(huán)境,在生產(chǎn)/生活中對(duì)人體健康和環(huán)境造成危害。傳統(tǒng)VOC檢測(cè)依賴于體積龐大或功能模塊復(fù)雜的氣體傳感器,不僅需要人工操作,增加操作者的暴露風(fēng)險(xiǎn),且難以兼顧便攜性、快校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)需求。基于微型軟體機(jī)器人的遠(yuǎn)程自主VOC感知與報(bào)警技術(shù)有望為VOC監(jiān)測(cè)提供一種更便捷安全的方案。然而,實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)(驅(qū)動(dòng))與VOC感知協(xié)同工作仍面臨挑戰(zhàn)?梢暬VOC感知是一種直觀高效的檢測(cè)方式,電學(xué)感知?jiǎng)t有望提供更精確的VOC信息。開(kāi)發(fā)一種兼具顏色變化和電學(xué)功能的VOC響應(yīng)變形材料,有助于實(shí)現(xiàn)VOC信息的“驅(qū)動(dòng)變形-同步動(dòng)態(tài)感知”,對(duì)環(huán)境感知型微型軟體機(jī)器人的探索和發(fā)展有重要意義。
近日,東華大學(xué)熊佳慶/周欣然團(tuán)隊(duì)提出一種VOC響應(yīng)變形納米纖維膜,通過(guò)在壓電聚合物中引入VOC變色填料(SC-PAL/PVDF),實(shí)現(xiàn)了VOC致變色并增強(qiáng)材料驅(qū)動(dòng)性能和壓電效應(yīng),用于開(kāi)發(fā)對(duì)VOC具有視覺(jué)-電學(xué)雙模感知能力的全纖維雙層結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器(SCP-BF)。SCP-BF表現(xiàn)出雙向彎曲、顯著穩(wěn)定的顏色變化以及同步壓電信號(hào)輸出,對(duì)VOC類型和濃度具有識(shí)別潛力。該VOC致變色壓電驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)出大彎曲曲率(4.63 cm-1),超快響應(yīng)速度(4.36 cm-1 s-1),200次循環(huán)變色無(wú)衰弱、1500次循環(huán)驅(qū)動(dòng)的高穩(wěn)定性,并可自主產(chǎn)生壓電信號(hào)以反映其變形或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。作者證實(shí)了VOC可視化、VOC類型和方向檢測(cè)、光/聲報(bào)警系統(tǒng)以及一系列VOC響應(yīng)智能開(kāi)關(guān)、抓手和微型機(jī)器人,展示了SCP-BF在VOC動(dòng)態(tài)檢測(cè)與操控方面的可行性和應(yīng)用潛力。
相關(guān)成果以“All-Fiber Volatile Organics-Perceptive Actuators”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊上,論文第一作者為東華大學(xué)碩士生王爽,通訊作者為熊佳慶研究員和周欣然副研究員。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
圖1.VOC變色-壓電全纖維驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及性能
圖2. SC-PAL的合成與表征
圖3. SCP-BF驅(qū)動(dòng)器的VOC致變色性能和壓電性能
圖4. 具有壓電感知力的SCP-BF驅(qū)動(dòng)器
圖5. SCP-BF在VOC操縱、感知和微型機(jī)器人中的應(yīng)用
視頻2. 基于SCP-BF的VOC響應(yīng)微型機(jī)器人
文章信息:
S Wang, H Liu, Y Zhang, M Wu, Y Zhang, J Zhang, X Zhou*, J Xiong*, All-Fiber Volatile Organics-Perceptive Actuators, ACS Nano, 2025.
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16330
課題組主頁(yè):https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing
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