成果简介
兼具致动和自感应特性的软致动器可以更好地适应环境，更有效地实现智能人机交互，这是即将到来的软机器人时代非常需要的。本文，武汉大学Bin Tian、梁静、吴伟教授团队等在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊发表名为“Photothermal and Humidity Stimulus-Responsive Self-Sensing Soft Actuators for Smart Packaging”的论文，研究基于非对称膨胀原理构建了多刺激响应致动器（MSRA），并通过丝网印刷技术将传感功能简单快速地集成到软致动器中。
利用多巴胺修饰氧化石墨烯（DGO）层良好的光热转换性能以及DGO层与聚偏氟乙烯/聚二甲基硅氧烷层膨胀系数的差异，软致动器在光热和湿度刺激下分别表现出不同的致动行为。同时，印刷炭黑/高弹性透明胶水泥传感层的引入使MSRA具有自传感功能，可以实时提供其驱动过程的反馈。此外，通过几个致动器的宏观组装可以实现各种复杂的变形。最后，展示了这种软致动器可以作为智能包装材料来实现智能包装。作者相信，具有传感反馈的执行器在软机器人和智能包装中具有重要意义。
图文导读
图1.（a） 自感应MSRA制造过程示意图。（b） 近红外光和湿度驱动的致动器变形。（c） 近红外光和湿度刺激时致动器弯曲角度的变化。（d） 执行器的光学图像。比例尺：10毫米。（e） 自感应MSRA的横截面SEM图像。比例尺：50 μm。
图2.（a） 吸收近红外光并将其转化为热量的光热DGO层示意图。（b） 在不同应用的近红外光功率下对MSRA的光热特性。（c） 在不同应用的近红外光功率下MSRA的红外热图像。（d） MSRA对一系列阶梯式近红外光功率的温度响应。
图3.（a） 由近红外光驱动的MSRA的红外热图像。（b） 近红外光驱动的MSRA弯曲变形。比例尺：10毫米。（c） 致动器中光热DGO层水分变化示意图。（d） PVDF/PDMS薄膜厚度随转速的变化。（e） 由不同厚度的PVDF/PDMS薄膜制备的MSRA在一系列应用的近红外光功率下可以实现不同的弯曲角度。（f） 不同近红外光下MSRA的弯曲角度与时间曲线。（g） MSRA的温度随弯曲角度同时变化。
图4.（a） MSRA在不同致动时间下在3.0 W/cm2下的相对电阻变化近红外光。（b） 一系列循环近红外光功率下的相对电阻比较。（c） MSRA的随时间变化的电阻变化保持最大变形并立即恢复。（d） MSRA的相对电阻随弯曲角度同时变化。（e） MSRA自由驱动和提升物体的随时间变化的电阻变化。图示：MSRA自由驱动和提升物体的光学图像。
图5.（a） 由水蒸气驱动的软致动器的致动/回收。（b） 由水蒸气、乙醇绝对蒸气和二氯甲烷蒸气驱动的软致动器随时间变化的弯曲角度。（C–g）组装的致动器通过重新组装软致动器表现出复杂的变形，包括“C”、“S”、“O”、“波浪”和 2D “X”形到 3D 夹持器变换。
图6.自传感MSRAs作为智能包装材料在智能包装中的应用
小结
综上所述，通过简单的旋涂获得了PVDF/PDMS柔性薄膜，并在两侧沉积了DGO光热层和CB/HETAC传感层。实验结果表明，DGO具有优异的光热效应和湿气吸附/解吸能力，导致动器响应近红外光湿刺激而发生稳定可逆的变形。在此基础上，通过沉积的CB/HETAC传感层实现软致动器的感测，该感测层可以实时提供其致动过程的反馈。在 3.0 W/cm 2的驱动下近红外光，致动器的饱和温度为120.3°C，弯曲角度可达51.8°，CB传感层的相对电阻变化高达6.68%。此外，通过宏观重组策略，致动器在水蒸气的刺激下具有独特的多模态驱动，包括驱动到“C”、“S”、“O”和“波浪”形状以及从2D“X”形状转换为3D抓手。最后，展示了这种软致动器可以作为智能包装材料来实现智能包装。作者希望这项工作能为软机器人和智能包装提供思路。
文献：https://doi.org/10.1021/acsapm.3c00627
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