氣動(dòng)施行器因其彎曲水平高、自在度大、情況適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在醫(yī)療保健、復(fù)雜地形勘探等范疇有普遍的應(yīng)用前景。但因?yàn)槠鋲毫ο到y(tǒng)離不開粗笨且剛性的泵驅(qū)動(dòng)氣體設(shè)備，極大地限造了施行器的尺寸和挪動(dòng)性，以及在室外情況中的應(yīng)用。液-氣相變復(fù)合質(zhì)料是一種在柔性彈性體中摻雜液-氣相變質(zhì)料而構(gòu)成的智能質(zhì)料。當(dāng)溫度到達(dá)質(zhì)料沸點(diǎn)時(shí)，液滴蒸發(fā)產(chǎn)生壓力，帶動(dòng)復(fù)合質(zhì)料膨脹，因而每個(gè)微液滴都能夠看做是一個(gè)氣動(dòng)單位。通過那種體例，將氣源和氣泵的功用集成到次要質(zhì)料中，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。然而，相變施行器的加熱體例遭到焦耳加熱或情況加熱的限造，需要外接電源或更高的情況溫度，那障礙了其更普遍的應(yīng)用。此外，目前對(duì)施行器變形行為的監(jiān)測(cè)凡是由光學(xué)相機(jī)記錄，然后對(duì)獲得的圖像停止后闡發(fā)，缺乏實(shí)時(shí)性。因而，若何設(shè)想一個(gè)無系繩，且具有感知本身運(yùn)動(dòng)的柔性施行器仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖1 PRPTE施行器的驅(qū)動(dòng)、傳感原理和造造

針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院寧波質(zhì)料手藝與工程研究所增材造造質(zhì)料手藝團(tuán)隊(duì)程昱川研究員和孫愛華研究員基于石墨烯、低沸點(diǎn)溶液微滴和硅橡膠，造備了一種集成變形驅(qū)動(dòng)和傳感特征于一體的光響應(yīng)液-氣相變彈性體（PRPTE）（如圖1）。PRPTE具有優(yōu)良的機(jī)械性能，在100℃時(shí)，低沸點(diǎn)發(fā)作液-氣相變產(chǎn)生的軸向力能夠高達(dá)本身重量的400倍，且不變性優(yōu)良。以該質(zhì)料為主動(dòng)層質(zhì)料，團(tuán)隊(duì)接納4D打印手藝造備了一系列柔性施行器，實(shí)現(xiàn)彎曲、抓取和爬行等光控法式化運(yùn)動(dòng)（如圖*）。

圖2 PRPTE傳感性能的表征

尤其重要的是，基于電容變革PRPTE表示出自傳感特征。石墨烯吸收近紅外光產(chǎn)生熱量，低沸點(diǎn)液體發(fā)作液-氣相變，介電常數(shù)減??；石墨烯因硅橡膠膨脹而逐步分離，彈性體介電常數(shù)減??；同時(shí)電極間距增大。在以上三個(gè)因素的配合感化下，PRPTE的電容會(huì)敏捷減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其變形的實(shí)時(shí)感知。模擬生物體操縱其本身信號(hào)反應(yīng)調(diào)理肌肉收縮和拉伸，從而停止復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)造備了一種人工肌肉（如圖2）。該人工肌肉能夠通過反應(yīng)的電容值得知腿部彎曲角度，并按照需要的角度停止切確控造。該研究實(shí)現(xiàn)了柔性施行器的驅(qū)動(dòng)/傳感一體化功用集成，為設(shè)想和造造具有集成自感知才能的軟機(jī)器人供給了新思緒。

圖* 4D打印PRPTE/PDMS雙層構(gòu)造施行器

該工做以“4D printing Light-Driven soft actuators based on Liquid-Vapor phase transition composites with inherent sensing capability”為題頒發(fā)在Chemical Engineering Journal, 202*, 4*4, 1402*1 。本研究得到了浙江省天然科學(xué)基金（No.LZ22E0*000*）、國(guó)度重點(diǎn)研發(fā)方案（No.2021YFB**01*00）、國(guó)度天然科學(xué)基金（No.118*4*66）和寧波市嚴(yán)重科技攻關(guān)（No.20211ZDYF020228）等項(xiàng)目標(biāo)撐持。

論文鏈接