中科院根據(jù)魚鰾研發(fā)對外界信號的監(jiān)測感知的柔性驅(qū)動器

自然界中的生物由于其良好的適應(yīng)能力而能夠在復(fù)雜的自然環(huán)境中生存和繁衍，如能夠感知危險信號，并據(jù)此來調(diào)整自身的形態(tài)和運動以逃避危險。而賦予生物這種能力最重要的組成部分之一是具有感知和機械變形特征的軟組織，它能夠可逆地改變其外貌和行為。受到這些軟組織和功能的啟發(fā)，人們致力于開發(fā)各種軟材料來構(gòu)建比色傳感器/驅(qū)動器、電子皮膚和氣動/液壓驅(qū)動偽裝系統(tǒng)等。彈性體由于其固有的柔韌性、彈性和可拉伸性，能夠很好地模擬生物系統(tǒng)和功能，且對環(huán)境友好，是一種極具前途的仿生軟材料。雖然目前已經(jīng)大量研究了具有類皮膚可拉伸變形行為的彈性體驅(qū)動系統(tǒng)，但是還缺乏在同一個系統(tǒng)中感知和變形/運動能力的協(xié)同作用，這導(dǎo)致驅(qū)動器不能像生物體一樣根據(jù)外界的刺激響應(yīng)來調(diào)節(jié)自身的行為。

基于中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員課題組在柔性傳感器和軟驅(qū)動器方面的研究基礎(chǔ)(Adv. Mater., 2020, 2004290; Nat. Commun., 2020, 11, 4359; Angew. Chem. Int.Ed., 2019, 58,16243; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666等)。近期，受到小丑魚魚鰾同時具有感知和變形驅(qū)動功能的啟發(fā)，開發(fā)了一種水下自感知的軟驅(qū)動器。

圖1(a)小丑魚由魚鰾充氣/放氣行為引起的上浮/下潛運動示意圖;(b)真實魚鰾經(jīng)冷凍干燥后的SEM圖像;(c-d)在空氣/水界面制備超薄PDMS和CNTs/PDMS Janus膜的示意圖，以及將二者集成為一個三明治自感知彈性復(fù)合膜(PCP)的制作過程示意圖;(e)PCP膜的結(jié)構(gòu)示意圖;(f)驅(qū)動變形和傳感的協(xié)同作用示意圖;(g-h)CNT /PDMS Janus膜在分別水側(cè)和空氣側(cè)的掃描電鏡圖;(i-j)PCP膜的截面掃描電鏡圖(i)和二維拉曼圖(j)

該工作通過在水/空界面制備超薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和PDMS/碳納米管(CNTs) Janus膜，由于其良好的自適性和粘性，通過將上述薄膜無縫轉(zhuǎn)移集成為一個三明治復(fù)合膜，以模仿魚鰾膜。以可拉伸的彈性PDMS基體模仿魚鰾的充氣/放氣變形行為，而用導(dǎo)電CNTs網(wǎng)絡(luò)薄膜模仿魚鰾具有類似皮膚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感知功能。由于復(fù)合薄膜良好的彈性、自適性和保形性，它可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至一個中空的模型上形成自封閉的人工魚鰾。外界氣壓的變化時，會引起復(fù)合膜發(fā)生膨脹或者凹陷變形。根據(jù)壓阻傳感機理，復(fù)合薄膜的這種形變會引起碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)間接觸電阻的變化，從而實現(xiàn)對變形行為的實時監(jiān)測。當(dāng)將整個系統(tǒng)置于水中時，可以用膜的膨脹和凹陷行為模仿魚鰾的充氣/放氣行為，通過調(diào)節(jié)外界氣壓可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)在水中的上下運動行為的精確控制，同時其運動過程也可以通過電信號實時監(jiān)測。此外，還能實現(xiàn)對外界信號的監(jiān)測感知并根據(jù)感知信號執(zhí)行氣動驅(qū)動行為。因此，該研究成功地將傳感和驅(qū)動功能集成到一個三明治復(fù)合膜中，實現(xiàn)了協(xié)同仿生行為，在智能集成軟機器人方面展示出巨大的潛力。

圖2(a)人工魚鰾氣動驅(qū)動器的示意圖;(b)人工魚鰾驅(qū)動器在下潛/上浮過程中的照片，箭頭的方向表示運動的方向;(c)用人工魚鰾去模仿魚的感知及運動行為，當(dāng)人工魚鰾感受到外界的危險信號時，可以據(jù)此去引導(dǎo)和追蹤其進(jìn)一步的運動;(d)人工魚鰾驅(qū)動器感知的水下位置;(e)人工魚鰾驅(qū)動器在重復(fù)下潛/上浮過程中的實時信號記錄

該工作以題為“Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films”的論文發(fā)表在Nano Energy, 2020, DOI.org/10.1016/j.nanoen.2020.105617。本研究得到了國家自然科學(xué)基金(52073295，51803226)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目(QYZDB-SSWSLH036)、中國科學(xué)院國際合作局(174433KYSB20170061)、博士后創(chuàng)新人才支持計劃(BX20180321)、中國博士后科學(xué)基金(2018M630695)和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(2018B10057)等項目的資助。