宁波材料所开发出无束缚、可编程的“保鲜膜”软体机器人

发布：2020-09-02

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　　地球上的大多数生物体经过长期进化选择可根据所处的外界环境快速产生适应性自身形变和/或可控运动以躲避危险、生存繁衍。例如，自然界中的植物如风滚草在逃离干旱地区、昆虫如金轮蜘蛛在躲避天敌袭击等情况下，会选择性地先将自身变形为球状，进而通过“翻滚”运动的形式快速离开当前不利环境。通过人工合成材料的程序化可控设计、模仿甚至超越生物体的智能驱动行为，是仿生材料领域研究的前沿热点及难点之一。软体驱动材料可将外界物理刺激（热、电、光、磁等）或化学刺激（pH、溶剂、离子强度等）转变为自身的机械变形，在人造肌肉、柔性机器人等方面展现出巨大的应用前景。在仿生无束缚形变方面，基于形状记忆聚合物、液晶弹性体、高分子水凝胶等软体驱动器已取得了重要的研究进展，然而如何以温和便捷的方法构筑类似于生物体的兼具快速形变、可编程及运动功能的仿生软体驱动材料与器件则仍然面临着巨大挑战。

　　针对上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员团队开发了一种可编程性强、驱动速度快的光控无约束软体驱动器，其不仅可在红外光的控制下进行可控的自身形变，还可通过限域回火处理实现仿生“翻滚”式快速运动和用作运输物品的软体机器人（Nat. Commun., 2020, 11, 4359, doi.org/10.1038/s41467-020-18214-0）。研究人员将前期研究在水/空气界面组装的大面积石墨烯薄膜（SGA）（ZL201510466050.3；Chem. Mater., 2016, 28, 7125；ACS Nano, 2019, 13, 4368；Nano Energy, 2019, 59, 422）转移到热膨胀系数远高于石墨烯的商用聚乙烯材质的保鲜膜（PE）上得到SGA/PE双层复合膜（图1a-c）。所得SGA/PE在外界热刺激下表现出通常双层膜驱动器常见的驱动行为（图1d），值得注意的是，若进行如钢铁冶金行业的回火处理，该复合膜通过限域回火处理后，可得到初始构型可调的SGA/PE驱动器，初始构型变形曲率可通过SGA膜层数和回火处理温度进行精确调控（图1e-g）。

　　尤其重要的是，通过与香港理工大学姚海民教授团队在分子动力学模拟和有限元分析上的合作，表明SGA层具有非对称弹塑性力学性能，SGA受拉伸时由于内部各石墨烯片层之间不可逆的相对滑动而表现为高塑性，SGA受压缩时由于可逆的屈曲褶皱变形表现为高弹性。在受限空间下的回火处理过程中正是SGA层非对称弹塑性力学性能使得SGA/PE具有室温构型可编程性能，通过理论计算得到的回火处理的SGA/PE变形曲率和实际变形曲率具有良好的一致性（图2）。

　　进一步通过图案化的石墨烯薄膜和/或局部回火预处理策略，实现了对这种热诱导变形系统的初始构型的定制化编程设计，从而创建了具有三维复杂驱动的形变系统。基于这种优异的形状变形控制性能，研究者将SGA/PE应用于开发各种热或光响应驱动器件，包括人工虹膜、人工睡莲（视频1），仰卧起坐机器人等固定位置的自身变形体系（图3）。

　　特别需要提及的是，限域回火处理后的SGA/PE双层膜在室温下自发卷曲成多层卷构型，可用于构筑不受束缚的光控运动器件，其在外界侧向红外光照刺激下可实现在平地与模拟沙漠上的连续翻滚前进运动（图4a-b，视频2），还可组装成四轴运动的摩托机器以及基于此的可运输物品的软体机器人（图4c，视频3和4）。

　　该策略为开发具有可编程、无束缚的软体机器人提供了一个新思路，该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院国际合作局重点项目资助、中国科学院前沿科学重点研究项目、NSFC-浙江两化融合联合基金、香港研究资助局研究基金、中国博士后科学基金等的资助。