武汉理工大学《NJC》：基于多重刺激响应的智能仿生应用GO-PDANP/PDMS双层柔性执行器

成果简介

柔性执行器是一种能将环境中的一种或多种刺激转化为机械运动的驱动装置，是智能材料领域的重要组成部分，已广泛应用于信息技术、生物传感器、智能机器人等领域。然而，设计具有快速响应和多重激励响应特性的柔性致动器仍然具有挑战性。本文，武汉理工大学何松 副教授等研究人员在《New J. Chem》期刊发表名为“Smart bionic applications based on a multiple stimulus response GO-PDANP/PDMS bilayer flexible actuator”的论文，研究基于GO层的亲水性和PDANP/PDMS层的高光热性能，制备了一种能够同时响应光、热、湿等刺激的双层柔性致动器（BFA）。由于双层结构的不对称性，BFA在光、热、湿刺激下表现出不同的弯曲方向和角度，弯曲变形快速、可逆、可控。此外，基于这种具有多重响应的BFA，设计了柔性夹爪、智能窗帘和智能开关等仿生设备，以拓宽其应用范围。

图文导读

图1、 (a) GO-PDANP/PDMS BFA 的制备流程图；(b) PDANP/PDMS 复合薄膜、纯 PDMS 和 PDANP 的拉曼光谱；(c) PDANP 的扫描电镜图像；(d) GO-PDANP/PDMS BFA 的柔性照片；(e) GO-PDANP/PDMS BFA 的截面扫描电镜图像以及 GO 层和 PDANP/PDMS 层的水接触角。

图3、 (a) GO-PDANP/PDMS BFA 的光响应机制；GO-PDANP/PDMS BFA 在不同 (b) PDANP 含量、(c) 薄膜厚度和 (d) 近红外光功率密度下的弯曲角度变化；GO-PDANP2. 0/PDMS BFA 在 900 mW cm-2 近红外光照射下（e）BFA 的弯曲角度与时间关系曲线；（f）一个周期内的实时可逆弯曲变形图像；以及（g）GO-PDANPs2.0/PDMS BFA 在 900 mW cm-2 近红外光照射下的循环测试。

图4、 (a) GO-PDANP2.0/PDMS 双层柔性致动器在不同温度下的弯曲曲率；以及 (b) 弯曲变形实时图像（相对湿度控制在 30%，室温为 28 °C）。

图5 、(a) 30% 和 90% 湿度下的傅立叶变换红外光谱；(b) X 射线衍射光谱；(c) 不同湿度下 GO 的含水量。

图6、 (a) GO-PDANP/PDMS BFA 的湿度响应机制；(b) GO-PDANP/PDMS BFA 和 PDANP/PDMS 薄膜在不同湿度下的弯曲角度变化；在相对湿度为 90% 的条件下，(c) 弯曲角度变化；(d) GO-PDANP/PDMS 整个驱动过程的实时弯曲角度图像。

图7 、基于 GO-PDANP/PDMS BFA 的 (a) 智能抓手、(b) 智能窗帘、(c) 智能开关和 (d) 智能开关驱动过程的图像。

小结

本文采用一种简单易行的技术，将亲水性 GO 和光热性 PDANPs 结合在一起，制造出了一种可同时对多种刺激做出反应的 BFA。在光、热和湿度刺激下，GO-PDANP/PDMS BFA具有高柔韧性、足够的韧性以及快速、可逆和稳定的弯曲变形行为。在900mW cm-2 的近红外光下，GO-PDANP2.0/PDMS BFA 具有快速响应能力，致动器在 4 秒钟内就能达到 110° 的最大弯曲角度。此外，经过 300 次循环测试后，致动器仍能保持良好的响应性能。更重要的是，该致动器被设计成智能抓手、智能窗帘和智能开关，可模拟抓取重物、窗帘开关和开关闭合等动作。这项研究为柔性致动器在智能设备中的应用提供了新思路。

文献：DOI https://doi.org/10.1039/D3NJ04471H