甯波材料所在魚鳔啓發(fā)的水下自感知軟體驅動器方面(miàn)取得進(jìn)展

自然界中的生物由于其良好(hǎo)的适應能(néng)力而能(néng)夠在複雜的自然環境中生存和繁衍，如能(néng)夠感知危險信号，并據此來調整自身的形态和運動以逃避危險。而賦予生物這(zhè)種(zhǒng)能(néng)力最重要的組成(chéng)部分之一是具有感知和機械變形特征的軟組織，它能(néng)夠可逆地改變其外貌和行爲。受到這(zhè)些軟組織和功能(néng)的啓發(fā)，人們緻力于開(kāi)發(fā)各種(zhǒng)軟材料來構建比色傳感器/驅動器、電子皮膚和氣動/液壓驅動僞裝系統等。彈性體由于其固有的柔韌性、彈性和可拉伸性，能(néng)夠很好(hǎo)地模拟生物系統和功能(néng)，且對(duì)環境友好(hǎo)，是一種(zhǒng)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爲的彈性體驅動系統，但是還(hái)缺乏在同一個系統中感知和變形/運動能(néng)力的協同作用，這(zhè)導緻驅動器不能(néng)像生物體一樣(yàng)根據外界的刺激響應來調節自身的行爲。

　　基于中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所陳濤研究員課題組在柔性傳感器和軟驅動器方面(miàn)的研究基礎（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，受到小醜魚魚鳔同時具有感知和變形驅動功能(néng)的啓發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)水下自感知的軟驅動器。

　　該工作通過(guò)在水/空界面(miàn)制備超薄的聚二甲基矽氧烷（PDMS）和PDMS/碳納米管（CNTs） Janus膜，由于其良好(hǎo)的自适性和粘性，通過(guò)將(jiāng)上述薄膜無縫轉移集成(chéng)爲一個三明治複合膜，以模仿魚鳔膜。以可拉伸的彈性PDMS基體模仿魚鳔的充氣/放氣變形行爲，而用導電CNTs網絡薄膜模仿魚鳔具有類似皮膚神經(jīng)網絡的感知功能(néng)。由于複合薄膜良好(hǎo)的彈性、自适性和保形性，它可以進(jìn)一步轉移至一個中空的模型上形成(chéng)自封閉的人工魚鳔。外界氣壓的變化時，會引起(qǐ)複合膜發(fā)生膨脹或者凹陷變形。根據壓阻傳感機理，複合薄膜的這(zhè)種(zhǒng)形變會引起(qǐ)碳納米管導電網絡間接觸電阻的變化，從而實現對(duì)變形行爲的實時監測。當將(jiāng)整個系統置于水中時，可以用膜的膨脹和凹陷行爲模仿魚鳔的充氣/放氣行爲，通過(guò)調節外界氣壓可以實現對(duì)整個系統在水中的上下運動行爲的精确控制，同時其運動過(guò)程也可以通過(guò)電信号實時監測。此外，還(hái)能(néng)實現對(duì)外界信号的監測感知并根據感知信号執行氣動驅動行爲。因此，該研究成(chéng)功地將(jiāng)傳感和驅動功能(néng)集成(chéng)到一個三明治複合膜中，實現了協同仿生行爲，在智能(néng)集成(chéng)軟機器人方面(miàn)展示出巨大的潛力。

　　該工作以題爲“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(guó)家自然科學(xué)基金（52073295，51803226）、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSWSLH036）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局（174433KYSB20170061）、博士後(hòu)創新人才支持計劃（BX20180321）、中國(guó)博士後(hòu)科學(xué)基金（2018M630695）和甯波市科技創新2025重大專項（2018B10057）等項目的資助。

圖1（a）小醜魚由魚鳔充氣/放氣行爲引起(qǐ)的上浮/下潛運動示意圖；（b）真實魚鳔經(jīng)冷凍幹燥後(hòu)的SEM圖像；（c-d）在空氣/水界面(miàn)制備超薄PDMS和CNTs/PDMS Janus膜的示意圖，以及將(jiāng)二者集成(chéng)爲一個三明治自感知彈性複合膜（PCP）的制作過(guò)程示意圖；（e）PCP膜的結構示意圖；（f）驅動變形和傳感的協同作用示意圖；（g-h）CNT /PDMS Janus膜在分别水側和空氣側的掃描電鏡圖；（i-j）PCP膜的截面(miàn)掃描電鏡圖（i）和二維拉曼圖（j）

圖2（a）人工魚鳔氣動驅動器的示意圖；（b）人工魚鳔驅動器在下潛/上浮過(guò)程中的照片，箭頭的方向(xiàng)表示運動的方向(xiàng)；（c）用人工魚鳔去模仿魚的感知及運動行爲，當人工魚鳔感受到外界的危險信号時，可以據此去引導和追蹤其進(jìn)一步的運動；（d）人工魚鳔驅動器感知的水下位置；（e）人工魚鳔驅動器在重複下潛/上浮過(guò)程中的實時信号記錄

（高分子與複合材料實驗室梁雲）

科研進(jìn)展

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