自然界生物通過(guò)感知外界環境變化并調節自身運動模式從而能(néng)夠更好(hǎo)地在周圍環境中生存，例如能(néng)夠感知被(bèi)抓取物體的形态和壓力，并據此來調整運動的程度以準确抓握物體并避免對(duì)自身的傷害。就人體而言，實現這(zhè)一功能(néng)主要是通過(guò)皮膚和肌肉的協作配合，皮膚可及時準确感知外界刺激，肌肉對(duì)其做出相應的驅動反應。受到這(zhè)些功能(néng)的啓發(fā)，人們緻力于利用各種(zhǒng)軟材料來模仿構建這(zhè)種(zhǒng)兼具傳感和驅動功能(néng)的材料。水凝膠驅動器可在多種(zhǒng)外界刺激下自發(fā)産生形變，具有良好(hǎo)的生物可容性，且對(duì)環境友好(hǎo)，在軟體機器人方面(miàn)具有廣泛的應用前景。雖然目前已經(jīng)報道(dào)了大量具有不同形變模式的水凝膠驅動器，但是這(zhè)類材料通常僅具備驅動功能(néng)，驅動過(guò)程不能(néng)實現及時的數字化檢測與反饋，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。
近年來，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料課題組陳濤研究員與張佳玮研究員一直緻力于智能(néng)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），同時在柔性傳感器研究方面(miàn)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同工作的啓發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)具有自傳感功能(néng)的軟驅動器。
該工作通過(guò)將(jiāng)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(chéng)爲一個三層複合結構以模仿肌肉與皮膚的協作功能(néng)。以PNIPAm水凝膠的溫度響應收縮與膨脹模仿肌肉的驅動行爲，通過(guò)導電的Ecoflex/CNTs膜模仿皮膚的感知功能(néng)。同時借助CNTs的光熱轉換能(néng)力，當近紅外光照射時，PNIPAm水凝膠溫度升高，從而發(fā)生收縮形變。由于Ecoflex/CNTs膜不能(néng)在近紅外光照射下發(fā)生形變，驅動器爲各向(xiàng)異性驅動，整體向(xiàng)PNIPAm水凝膠側彎曲，根據壓阻傳感機理，驅動器的形變會引起(qǐ)碳納米管導電網絡間接觸電阻的變化，從而實現利用電信号對(duì)變形功能(néng)的實時監測。根據監測結果，可以得知驅動程度并據此控制近紅外光照射時間，從而調控材料的變形行爲。研究人員將(jiāng)該驅動器與其他機械部件結合，設計了可在近紅外光照射下擡起(qǐ)的模拟手臂和能(néng)抓取不同大小物體的機械抓手。在機械抓手抓取不同大小物體過(guò)程中，可通過(guò)電信号的反饋比較物體的大小并調節近紅外光照射的時間與強度。該工作成(chéng)功地將(jiāng)傳感與驅動功能(néng)集成(chéng)到一個三層複合結構中，實現了驅動傳感一體化，爲開(kāi)發(fā)新型智能(néng)集成(chéng)軟機器人提供了新思路。
該工作以題爲“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(guó)家自然科學(xué)基金（51873223、52073295），中國(guó)科學(xué)院青年創新促進(jìn)會（2017337），海洋新材料與應用技術重點實驗室開(kāi)放基金（2020K05），甯波自然科學(xué)基金（202003N4359）等項目的支持。
圖1 （a）受皮膚和肌肉啓發(fā)的驅動傳感一體化CNTs-Ecoflex/PNIPAm水凝膠部件圖示；（b）CNTs-Ecoflex/PNIPAm水凝膠部件的構建過(guò)程與結構示意圖
（高分子與複合材料實驗室 李慧靜）
