柔性驅動器因其在生物醫(yī)學、長途運輸、水下探測、偽裝和感知技術中的有效應用而備受關注。與傳統(tǒng)的剛性驅動器不同，軟驅動器的柔軟性和高變形能力使其能夠改變形狀來面對復雜的外界環(huán)境。然而，傳統(tǒng)的軟驅動器在撤去外界提供的能源之后無法維持自身變形，從而恢復初始形狀。然而，在實際應用中，持續(xù)供能來維持自身變形將大大限制驅動器的應用環(huán)境。因此，面對復雜的應用環(huán)境，開發(fā)零供能便可維持自身變形并在特定地點形狀可恢復的驅動器對軟體機器人的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授團隊報告了一種具有可保持塑性變形和可編程磁刺激形狀恢復的三響應軟執(zhí)行器。通過自組裝密度沉積方法制備了由纖維素納米纖維/聚乙烯醇/液態(tài)金屬(CNF/PVA/LM)薄膜，將其與磁性聚二甲基硅氧烷(MPDMS)薄膜組成的電熱-近紅外光-磁場三響應驅動器。該驅動器可以在電/光刺激下產(chǎn)生塑性變形，此變形在熱環(huán)境中可通過磁場刺激形狀恢復。該軟驅動器可以在較低的電壓(1.2 V)下實現(xiàn)較大彎曲(114°)，并且可以在低強度的近紅外光(0.64W cm-2)下實現(xiàn)遠距離驅動。通過改變簡單磁場的方向，演示了滾動機器人的避障能力和搬運機器人的復雜連續(xù)運動。這種集多刺激響應、低驅動電壓和可編程形狀恢復于一體驅動器，將為開發(fā)用于復雜仿生系統(tǒng)的智能材料提供借鑒。相關研究以“Triple-responsive Soft Actuator with Plastically Retentive Deformation and Magnetically Programmable Recovery”為題發(fā)表于最新一期《ACS Nano》上，論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生李文文和博士后桑敏，通訊作者為廖國江研究員、龔興龍教授和宣守虎教授。 作者將纖維素納米纖維素（CNF）、聚乙烯醇（PVA）和液態(tài)金屬（LM）混合，采用自組裝密度沉積方法制備了具有電熱/光熱性能的CNF/PVA/LM薄膜。然后將其與磁性聚二甲基硅氧烷復合制備了CNF/PVA/LM/MPDMS (CPLMMP)驅動器。（圖1a）由于CNF/PVA/LM層的熱收縮和MPDMS的熱膨脹的耦合效應使致動器在電熱和光熱刺激下產(chǎn)生塑性變形，并在熱環(huán)境下響應磁場表現(xiàn)出可編程的形狀恢復。（圖1b）
圖1 CPLMMP驅動器的制備示意圖
基于LM優(yōu)異的導電性和CNF/PVA/LM膜與MPDMS膜的熱膨脹系數(shù)的差異，CPLMMP驅動器表現(xiàn)出了良好的電熱驅動性能。當驅動器接通電源之后，CNF/PVA/LM層收縮而MPDMS層膨脹，驅動器從MPDMS層向CNF/PVA/LM層彎曲。驅動器在0.4 V超低電壓便可以產(chǎn)生驅動行為。當驅動電壓增加到1.2 V時，驅動器溫度達到82.5 ℃，彎曲角達到114°, 展現(xiàn)出良好的電熱驅動行為。（圖2）
圖2 CPLMMP驅動器的電熱驅動性能。
此外，CPLMMP驅動器還可以由紅外光驅動，在近紅外光照射下，CNF/PVA/LM層收縮，MPDMS層膨脹，導致驅動器由MPDMS層向CNF/PVA/LM層彎曲。去除近紅外光后，CPLMMP執(zhí)行器產(chǎn)生的塑性變形無法恢復，執(zhí)行器的形狀是固定的。然而這種變形可以在熱環(huán)境中通過磁驅動來恢復。有限元的模擬結果也成功預測了其變形行為（圖3）。手形狀和花形狀的變形和恢復結果表明該材料在仿生機器人中具有廣闊的應用潛景。
圖3 CPLMMP驅動器的光熱驅動性能和驅動機理。
基于CPLMMP驅動器的磁驅動性能，條形驅動器可以組裝成為滾輪機器人，展示了其在復雜環(huán)境中良好的避障能力。（圖4）由于釹鐵硼的鐵磁性，當移除施加的外磁場后，MPDMS薄膜具有高剩磁。當在滾輪機器人底部放置與其磁化方向相反的小磁場時，滾輪機器人會被吸引，并跟隨其磁極改變而運動。滾輪機器人以≈0.66 cm/s的速度穿過有四個障礙的道路(圖4d)。其在前進過程中直行和轉彎的靈活調整，展示了其在復雜環(huán)境中的廣闊應用前景。
圖4 基于 CPLMMP驅動器的滾輪機器人。
基于CPLMMP驅動器良好的可編程性能，采用切割法將復合膜制作成規(guī)則的三角形運載機器人。由于NdFeB顆粒的可編程磁化特性，使用四種不同的磁化方法來制備具有不同磁化方向組合的運載機器人(圖5)。為了更好地了解運載機器人的運動機理，選擇了第三種磁化方式的運載機器人(Ⅲ)(圖5c)作為研究對象，展示了運載機器人三肢的收放過程。在近紅外光下，運載機器人的三肢向內收縮，撤去光之后，運載機器人形狀固定，呈金字塔狀。隨后將運載機器人放置在邊長為1cm 的正方形磁鐵上，在邊緣磁場的吸引下，原來收縮的三肢會釋放，恢復原來形狀。由于運載機器人的預磁化，通過改變機器人下方磁場的方向可以引導機器人的運動；跈C器人良好的形狀保持能力，以及在熱環(huán)境中通過磁響應形狀恢復能力，運載機器人可以攜帶物體在不同地形條件（磨砂管道、紙張表面和斜坡）下運動，且運動期間都很好的包裹住物品，直到到達終點，通過磁/熱來釋放物體。（圖6）這種良好的可控性極大拓展了軟驅動器的應用領域。
圖5 基于 CPLMMP驅動器的運載機器人的可編程性能。
圖6 基于 CPLMMP驅動器的滾輪機器人。
原文鏈接：Wenwen Li, Min Sang, Congcong Lou, Guojiang Liao, Shuai Liu, Jianpeng Wu, Xinglong Gong, Qian Ma, and Shouhu Xuan, Triple-Responsive Soft Actuator with Plastically Retentive Deformation and Magnetically Programmable Recovery, ACS Nano, 2023, DOI: 10.1021/acsnano.3c08888
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08888
- 西安交大徐光魁教授課題組 JMPS/Acta Biomater.：細胞塑性與各向異性標度律響應的變化與不變性 2024-04-24
- 浙江大學謝濤團隊《Matter》：模塊化4D打印 2020-03-12
- 湖南科技大學陳建教授團隊 Nat. Commun.：自生長構建可編程2D/3D耦合響應涂層 - 實現(xiàn)高安全性的防偽與多級信息加密 2025-12-26
- UCLA 金麗華教授團隊 AFM：通過非平衡過程實現(xiàn)形狀記憶聚合物可編程多模態(tài)形狀演化 2025-12-23
- 華南理工孫桃林/國家納米中心王九令 Adv. Mater.: 熱響應拓撲重構實現(xiàn)彈性體剛度與強度的可編程切換 2025-12-20
- 東北林大于海鵬教授團隊、UT Austin余桂華教授 Sci. Adv.：氨基化纖維素納米纖維 2025-10-27
- 武漢大學陳朝吉/四川大學張偉 ACS Nano：仿生梯度水凝膠電解質界面優(yōu)化構筑穩(wěn)定鋅離子電池 2025-07-21
