能夠在各種外界刺激下可逆地改變其幾何形狀、體積、尺寸或化學(xué)和物理性質(zhì)的柔性致動(dòng)器在許多領(lǐng)域都有著很好的應(yīng)用前景，包括柔性機(jī)器人、精密醫(yī)學(xué)、能量收集和節(jié)能，以及人工智能。強(qiáng)大的機(jī)械性能和可靠的執(zhí)行性能是柔性致動(dòng)器適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的重要因素。然而，對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)的雙層致動(dòng)器來(lái)說(shuō)，同時(shí)滿足這兩個(gè)要求是一個(gè)挑戰(zhàn)。
最近，四川大學(xué)張新星研究員和盧燦輝教授在《ACS?Nano》上發(fā)表了題為“Ultrarobust?Ti3C2Tx?MXene-Based Soft Actuators via Bamboo-Inspired Mesoscale Assembly of Hybrid Nanostructures”的文章，以天然竹的精細(xì)結(jié)構(gòu)為靈感，通過(guò)微納米尺度的二維MXenes和具有分子尺度強(qiáng)氫鍵的一維纖維素納米纖維的介觀組裝，得到了一種層級(jí)梯度結(jié)構(gòu)的柔性致動(dòng)器。該致動(dòng)器集高拉伸強(qiáng)度（237.1MPa）、高楊氏模量（8.5GPa）、高韌性（10.9MJ/m3）和直接快速吸濕致動(dòng)于一體，這是傳統(tǒng)雙層致動(dòng)器難以實(shí)現(xiàn)的。他們演示了概念驗(yàn)證原型機(jī)器人，即使在彎曲100?000次、揉捏或被成人踐踏（比爬行機(jī)器人重7?500?000倍）后，它仍具有高度的機(jī)械穩(wěn)健性。這種仿生的介觀組裝策略為柔性材料在下一代機(jī)器人中的應(yīng)用提供了一種途徑。
1.?材料設(shè)計(jì)
天然竹子是由嵌入木質(zhì)素-半纖維素材料中的纖維素纖維組成（圖1a，b）。
與均勻結(jié)構(gòu)材料不同，竹纖維在竹中的分布具有密度梯度，其密度梯度在竹纖維外周最高。
此外，在分子尺度上，纖維素、木質(zhì)素和半纖維素之間形成強(qiáng)氫鍵（圖1b）。因此，這種具有強(qiáng)分子相互作用的層次梯度結(jié)構(gòu)使得竹子的機(jī)械強(qiáng)度和硬度都很高。這種結(jié)合了納米、微觀和宏觀尺度的合理策略被稱為介觀尺度方法。受天然竹子啟發(fā)，他們通過(guò)分層2D MXene（Ti3C2Tx）和1D CNF與粘附生物大分子（圖1c-f）的介觀尺度組裝構(gòu)建了層級(jí)梯度結(jié)構(gòu)的柔性致動(dòng)器。MXene的濕法化學(xué)腐蝕方法可以在其表面生成豐富的活性端基（-OH、-F或═O）。
同時(shí)，CNF的兩親性和高長(zhǎng)寬比允許單個(gè)MXene納米片被支架化以防止聚集。此外，聚多巴胺（PDA）是一種模擬貽貝粘著蛋白結(jié)構(gòu)的生物大分子，由于含有胺和鄰苯二酚官能團(tuán)，具有良好的粘著性能。因此，在PDA原位聚合過(guò)程中，MXene、CNF和PDA組分之間可以形成很強(qiáng)的氫鍵相互作用，采用一種簡(jiǎn)單的逐層組裝方法，采用真空輔助過(guò)濾工藝制備了梯度結(jié)構(gòu)MXene/CNF/PDA（G-MXCP）納米復(fù)合材料。
通過(guò)顯微拉曼光譜研究了介觀尺度梯度結(jié)構(gòu)組裝對(duì)材料性能的影響機(jī)理。在615cm–1處純MXene的拉曼特征峰被定義為M鍵，在1448cm–1處純CNF的特征峰被定義為C鍵。Mbond/Cbond比值的拉曼信號(hào)沿深度方向不斷增加，而在水平方向保持穩(wěn)定（圖2a）。這種現(xiàn)象是由于密度梯度的熱力學(xué)非平衡態(tài)可以加速組分碎片從高濃度到低濃度的自適應(yīng)擴(kuò)散或自組裝到界面間隙中的結(jié)果。
用溫度相關(guān)FTIR分析了MXene/CNF/PDA納米復(fù)合材料的形態(tài)和構(gòu)象變化。3350cm–1附近的CNF和PDA羥基帶以及在3282cm-1處的PDA的胺基帶，在從30℃加熱到120℃時(shí)顯示出藍(lán)移，伴隨著強(qiáng)度的顯著降低。表明MXene納米片、CNF鏈和PDA在分子尺度上存在多個(gè)氫鍵。另外，SEM顯示G-MXCP納米復(fù)合膜具有致密的層狀結(jié)構(gòu)。
2.?機(jī)械性能
原始MXene薄膜的拉伸強(qiáng)度為14.2±2.1 MPa，韌性為0.060±0.006 MJ m–3，楊氏模量為1.6±0.2 GPa。通過(guò)介觀尺度組裝引入親水性CNF和粘合劑PDA后，G-MXCP納米復(fù)合膜的力學(xué)性能得到了顯著提高，其最高拉伸強(qiáng)度為237.1±20.1MPa，韌性為10.9±1.0MJ?m-3，楊氏模量為8.5±0.5GPa，分別約為原始MXene膜的16.7、218和5.3倍（圖3b-d）。G-MXCP納米復(fù)合材料的協(xié)同增強(qiáng)是由于具有強(qiáng)氫鍵相互作用的梯度結(jié)構(gòu)的致密堆積。G-MXCP納米復(fù)合材料的機(jī)械性能超過(guò)了大多數(shù)MXene或CNF基納米復(fù)合材料（圖3f），甚至遠(yuǎn)高于大多數(shù)高強(qiáng)度工程塑料，如尼龍，可與超硬鋁合金相媲美，并超過(guò)大多數(shù)鎂合金。
3.?吸濕致動(dòng)性能
G-MXCP膜底層具有相對(duì)較高的CNF含量，而頂層CNF含量較低。因此底層可以吸收更多的插層水分子，從而增大MXene膜的d間距，導(dǎo)致G-MXCP膜的體積膨脹率更高。當(dāng)濕度增大或減小時(shí)，兩側(cè)體積變化的不匹配可以實(shí)現(xiàn)G-MXCP膜在單個(gè)物體中的彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)。G-MXCP致動(dòng)器的直接和快速致動(dòng)速度為34.2°s-1，是MXene/CNF/PDA/雙向取向聚丙烯（BOPP）雙層致動(dòng)器的3.32倍。由于G-MXCP膜的兩側(cè)之間具有明顯的光熱轉(zhuǎn)換特性，借助紅外光（IR）加熱可以改善吸濕致動(dòng)性能。G-MXCP致動(dòng)器在室溫下的恢復(fù)速度為21.2°s-1，是MXene/CNF/PDA/BOPP雙層致動(dòng)器的3.47倍。在相同的濕度條件下，G-MXCP致動(dòng)器（平均每質(zhì)量致動(dòng)力為41.2N kg-1）比MXene/CNF/PDA/BOPP雙層致動(dòng)器產(chǎn)生的每質(zhì)量致動(dòng)力更大。當(dāng)濕度降低時(shí)，致動(dòng)力逐漸降至零，呈現(xiàn)快速恢復(fù)過(guò)程。
即使在惡劣的條件下，G-MXCP致動(dòng)器也具有超強(qiáng)的致動(dòng)性能。他們展示了一個(gè)爬行機(jī)器人的原型，其中G-MXCP膜體和聚酰亞胺（PI）“支腿”的質(zhì)量分別為9.9和8.1 mg。柔性爬行機(jī)器人即使被一個(gè)成年人（73.9公斤）嚴(yán)重踐踏，也能保持其結(jié)構(gòu)和致動(dòng)性能，而這一重量約為其自身體重的7?500?000倍。
720N 腳踩
踩完之后，性能依舊
此外，花瓣?duì)顧C(jī)器人可以在可逆的“關(guān)閉-打開(kāi)”濕度激活運(yùn)動(dòng)中保持其機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整性，即使在反復(fù)揉捏之后也是如此（圖5d）。對(duì)G-MXCP膜進(jìn)行了5hz的循環(huán)彎曲試驗(yàn)，即使在超過(guò)100?000次彎曲循環(huán)后，在具有密集層合結(jié)構(gòu)的G-MXCP膜中也未觀察到裂紋或?qū)娱g滑動(dòng)（圖5h）。
亮點(diǎn)小結(jié)
綜上所述，受天然竹梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者開(kāi)發(fā)了一類具有高機(jī)械性能和致動(dòng)性能的仿生響應(yīng)致動(dòng)器。與大多數(shù)粘著雙層結(jié)構(gòu)材料相比，G-MXCP納米復(fù)合材料具有超高的拉伸強(qiáng)度、高的彈性模量和優(yōu)異的韌性，得益于細(xì)觀梯度結(jié)構(gòu)和強(qiáng)氫鍵作用，使其具有良好的機(jī)械可靠性。此外，這種介觀尺度組裝方法使得G-MXCP納米復(fù)合膜的兩側(cè)具有明顯的親水性和光熱轉(zhuǎn)換能力差異，使得G-MXCP致動(dòng)器具有直接、快速、大規(guī)模的可變形致動(dòng)能力。該裝置能承受成年人反復(fù)彎曲、揉捏或踩踏，顯示出極好的靈活性和機(jī)械穩(wěn)健性，這對(duì)現(xiàn)代軟機(jī)器人至關(guān)重要。這樣的仿生設(shè)計(jì)策略將為提高軟體機(jī)械人的長(zhǎng)期可靠性和安全性提供一個(gè)機(jī)會(huì)。
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