氣動執行器因其彎曲程度高、自由度大、環境适應性強等特點，在醫療保健、複雜地形勘探等領域有廣泛的應用前景。但由于其壓力系統離不開(kāi)笨重且剛性的泵驅動氣體設備，極大地限制了執行器的尺寸和移動性，以及在室外環境中的應用。液-氣相變複合材料是一種(zhǒng)在柔性彈性體中摻雜液-氣相變材料而形成(chéng)的智能(néng)材料。當溫度達到材料沸點時，液滴蒸發(fā)産生壓力，帶動複合材料膨脹，因此每個微液滴都(dōu)可以看作是一個氣動單元。通過(guò)這(zhè)種(zhǒng)方式，將(jiāng)氣源和氣泵的功能(néng)集成(chéng)到主要材料中，大大降低了系統的複雜性。然而，相變執行器的加熱方式受到焦耳加熱或環境加熱的限制，需要外接電源或更高的環境溫度，這(zhè)阻礙了其更廣泛的應用。此外，目前對(duì)執行器變形行爲的監測通常由光學(xué)相機記錄，然後(hòu)對(duì)獲得的圖像進(jìn)行後(hòu)分析，缺乏實時性。因此，如何設計一個無系繩，且具有感知自身運動的柔性執行器仍是一個挑戰。

　　針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所增材制造材料技術團隊程昱川研究員和孫愛華研究員基于石墨烯、低沸點溶液微滴和矽橡膠，制備了一種(zhǒng)集成(chéng)變形驅動和傳感特性于一體的光響應液-氣相變彈性體（PRPTE）（如圖1）。PRPTE具有優異的機械性能(néng)，在100℃時，低沸點發(fā)生液-氣相變産生的軸向(xiàng)力可以高達自身重量的400倍，且穩定性良好(hǎo)。以該材料爲主動層材料，團隊采用4D打印技術制備了一系列柔性執行器，實現彎曲、抓取和爬行等光控程序化運動（如圖3）。

　　尤其重要的是，基于電容變化PRPTE表現出自傳感特性。石墨烯吸收近紅外光産生熱量，低沸點液體發(fā)生液-氣相變，介電常數減小；石墨烯因矽橡膠膨脹而逐漸分散，彈性體介電常數減小；同時電極間距增大。在以上三個因素的共同作用下，PRPTE的電容會迅速減小，從而實現對(duì)其變形的實時感知。模仿生物體利用其自身信号反饋調節肌肉收縮和拉伸，從而進(jìn)行複雜運動，團隊制備了一種(zhǒng)人工肌肉（如圖2）。該人工肌肉可以通過(guò)反饋的電容值得知腿部彎曲角度，并根據需要的角度進(jìn)行精确控制。該研究實現了柔性執行器的驅動/傳感一體化功能(néng)集成(chéng)，爲設計和制造具有集成(chéng)自感知能(néng)力的軟機器人提供了新思路。

　　該工作以“4D printing Light-Driven soft actuators based on Liquid-Vapor phase transition composites with inherent sensing capability”爲題發(fā)表在Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140271 （https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140271）。本研究得到了浙江省自然科學(xué)基金（No.LZ22E030003）、國(guó)家重點研發(fā)計劃（No.2021YFB3701500）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11874366）和甯波市重大科技攻關（No.20211ZDYF020228）等項目的支持。

圖1 PRPTE執行器的驅動、傳感原理和制造

圖2 PRPTE傳感性能(néng)的表征

圖3 4D打印PRPTE/PDMS雙層結構執行器

　　（增材制造材料技術團隊 景慧瀾）