中科院寧波材料所突破智能高分子水凝膠傳感驅(qū)動功能集成

自然界生物通過感知外界環(huán)境變化并調(diào)節(jié)自身運(yùn)動模式從而能夠更好地在周圍環(huán)境中生存，例如能夠感知被抓取物體的形態(tài)和壓力，并據(jù)此來調(diào)整運(yùn)動的程度以準(zhǔn)確抓握物體并避免對自身的傷害。就人體而言，實(shí)現(xiàn)這一功能主要是通過皮膚和肌肉的協(xié)作配合，皮膚可及時(shí)準(zhǔn)確感知外界刺激，肌肉對其做出相應(yīng)的驅(qū)動反應(yīng)。受到這些功能的啟發(fā)，人們致力于利用各種軟材料來模仿構(gòu)建這種兼具傳感和驅(qū)動功能的材料。水凝膠驅(qū)動器可在多種外界刺激下自發(fā)產(chǎn)生形變，具有良好的生物可容性，且對環(huán)境友好，在軟體機(jī)器人方面具有廣泛的應(yīng)用前景。雖然目前已經(jīng)報(bào)道了大量具有不同形變模式的水凝膠驅(qū)動器，但是這類材料通常僅具備驅(qū)動功能，驅(qū)動過程不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)的數(shù)字化檢測與反饋，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員一直致力于智能變形水凝膠的研究（Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Research 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Small 2020, 2005461等），同時(shí)在柔性傳感器研究方面也有多年的積累（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Mater., 2020, 2004290; Nat. Commun., 2020, 11, 4359等）。近期受到人體皮膚和肌肉協(xié)同工作的啟發(fā)，開發(fā)了一種具有自傳感功能的軟驅(qū)動器。

圖1 （a）受皮膚和肌肉啟發(fā)的驅(qū)動傳感一體化CNTs-Ecoflex/PNIPAm水凝膠部件圖示；（b）CNTs-Ecoflex/PNIPAm水凝膠部件的構(gòu)建過程與結(jié)構(gòu)示意圖

該工作通過將聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝膠與超薄的Ecoflex彈性體/碳納米管（CNTs）Janus膜集成為一個(gè)三層復(fù)合結(jié)構(gòu)以模仿肌肉與皮膚的協(xié)作功能。以PNIPAm水凝膠的溫度響應(yīng)收縮與膨脹模仿肌肉的驅(qū)動行為，通過導(dǎo)電的Ecoflex/CNTs膜模仿皮膚的感知功能。同時(shí)借助CNTs的光熱轉(zhuǎn)換能力，當(dāng)近紅外光照射時(shí)，PNIPAm水凝膠溫度升高，從而發(fā)生收縮形變。由于Ecoflex/CNTs膜不能在近紅外光照射下發(fā)生形變，驅(qū)動器為各向異性驅(qū)動，整體向PNIPAm水凝膠側(cè)彎曲，根據(jù)壓阻傳感機(jī)理，驅(qū)動器的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(shí)現(xiàn)利用電信號對變形功能的實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以得知驅(qū)動程度并據(jù)此控制近紅外光照射時(shí)間，從而調(diào)控材料的變形行為。研究人員將該驅(qū)動器與其他機(jī)械部件結(jié)合，設(shè)計(jì)了可在近紅外光照射下抬起的模擬手臂和能抓取不同大小物體的機(jī)械抓手。在機(jī)械抓手抓取不同大小物體過程中，可通過電信號的反饋比較物體的大小并調(diào)節(jié)近紅外光照射的時(shí)間與強(qiáng)度。該工作成功地將傳感與驅(qū)動功能集成到一個(gè)三層復(fù)合結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動傳感一體化，為開發(fā)新型智能集成軟機(jī)器人提供了新思路。

該工作以題為“symmetric bilayer CNTs-elastomer/hydrogel composite as soft actuators with sensing performance”的論文發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2021, 415, 128988）。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（51873223、52073295），中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2017337），海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2020K05），寧波自然科學(xué)基金（202003N4359）等項(xiàng)目的支持。