东华大学熊佳庆课题组 Adv. Mater.：微纤维两栖软体机器人实现电磁辐射动态感知

2024-09-30 来源：高分子科技

软体机器人在环境探测、信息采集、紧急救援、智能装备、人-机-环境交互等领域有广泛应用需求。目前大多数软体机器人运动模式单一，无法实现多环境适应性运动与环境自主感知。光热响应软体机器人具有刺激源丰富、响应快速和高环境适应性等优势。现有的光热致动器大多通过在柔性基质中整合各类光热填料实现，其微观结构、力学性能和局部响应可调控性较差，限制了结构/性能可编程软体机器人的开发。当前，微结构主导光热致动的智能响应材料研究较少，主要挑战在于难以精确协同材料的机械变形性和光热响应性。多孔材料（例如气凝胶）通常具有较高比表面积，能够提供蜿蜒曲折的透光路径，减少光学散射/反射损失，从而提高光热转换效率，但这类块体多孔材料的高厚度限制了其致动性能。相比之下，微纤维膜（MFF）具有微观结构和机械性能易调控性，为实现以微观结构主导的可编程光热致动器提供了理想素材。

传统MFF机械强度较差，难以实现高效致动性。当前，尚缺乏一种策略，能够兼顾光热致动器在微结构、材料与功能方面的灵活性与可编程性，以同步实现结构光热效应、机械可变形性、致动可设计性与环境感知功能。MFF在结构和力学性能方面具备高设计性，有望克服领域挑战，开发以结构光热效应为主导、具备优异机械性能的高性能光热致动器，并赋予其同步的电学感知能力。例如电磁辐射（EMR）（一种广泛存在于环境中的污染/危害源）的多场景动态检测，对提升生产/生活环境安全性有重要意义。目前，尚未有环境EMR感知型光热致动器及多环境自适应运动软体机器人的报道。

近日，东华大学熊佳庆课题组提出微纤维膜的热压编程策略，开发出一种基于微熔多孔微纤维膜（MFF）致动器的两栖软体机器人，实现了对电磁辐射（EMR）的可靠动态检测。微熔多孔MFF致动器由聚偏氟乙烯热压纤维膜（HP-P）和导电织物组成。通过热压获得了光热转化性能优异、机械性能良好的MFF，确保了致动器优异的响应速度（0.068 cm^-1s^-1）和弯曲曲率（0.63 cm^-1）。这一双层结构致动器具有良好的界面可靠性和变形持久性。通过二次/多次热压，实现了致动器厚度、结构取向、组装方式、局部黑磷（BP）光热增强图案的高效编程，进而丰富和精确控制其致动行为，展示了2D-3D结构转换式致动器、跳跃机器人，以及具有水-陆自适应运动机制的两栖机器人。利用导电织物层的电磁感应效应，机器人可在移动过程中同步感知环境EMR，灵敏度高达99.73% ± 0.15%（陆地）和99.51% ± 0.17%（水上），显示优于便携式商用电磁探测仪的检测适应性（强度范围0.1 W ~ 3000 W，有效距离~ 9 m）。该工作为环境交互智能材料和多场景适应/自主感知型软体机器人的开发提供了新的可能。相关研究以“Microfiber Actuators With Hot-Pressing-Programmable Mechano-Photothermal Responses for Electromagnetic Perception”为题发表在《Advanced Materials》上，论文第一作者为东华大学博士生吴梦婕，通讯作者为熊佳庆教授。该工作得到国家自然科学基金委（52103254, 52273244）等项目的资助。

图1. EMR感知型光热增强MFF致动器

受青蛙两栖特性和声学感知的启发，作者开发了一种光热致动器，实现了爬行/跳跃、两栖行走和同步EMR检测（图1）。通过对静电纺丝膜（ES-P）进行热压处理，开发了兼顾高机械性能、高孔隙率、且厚度可调的微熔多孔MFF，实现了高效光热转换和局部BP光热增强图案化编程。与未经处理的ES-P薄膜相比，HP-P薄膜制作的仿生花致动器展现出显著增强的光热致动能力。

图2. 机械-光热协同增强的HP-P致动器

HP-P致动器由HP-P薄膜与导电织物构成。相较于导电织物（热膨胀系数5.71 ppm K^-1，光热转换速度0.16 ℃ s^-1），HP-P薄膜具有更高的热膨胀系数（538.51 ppm K^-1）和光热转换速度（0.78 ℃ s^-1）。在光热刺激下，HP-P薄膜吸收红外辐射实现高效光热转换和热膨胀，而导电织物则维持相对稳定的温度和尺寸，导致器件发生不对称膨胀和弯曲变形。此外，热压工艺不仅提高了MFF的光热转换效率，还改善了MFF机械性能。在相同厚度（170 μm）下，HP-P薄膜表现出提升的弹性模量（378 MPa）、断裂韧性（87.26 MJ m^-3）和极限拉伸强度（31.54 MPa）。相应致动器弯曲速度达0.039 cm^-1s^-1，弯曲曲率达0.44 cm^-1，在1000次重复致动变形后依然维持界面稳定性和响应可靠性（图2）。

图3. 热压可编程光热致动器和机器人

热压加工还可对致动器的厚度、变形取向、组装方式和光热响应部位等进行精准编程，实现结构可定制化的智能响应材料。例如，通过使用特定方向平行图案的热压模具可制造不同弯曲方向的致动器；通过不同方式组装致动器，可创建多种2D-3D可重构智能变形材料，如异向变形人造花和网状超材料。此外，通过厚度编程及结构设计，可实现高度/方向可调的跳跃致动器。进一步，基于HP-P薄膜局部BP光热图案的编程设计，结合非对称变形结构和足部竹筏仿生结构设计，作者开发了一种红外触发式蠕虫机器人，实现了同一光源刺激下具有不同运动机理的自适应水-陆两栖运动（图3）。

图4. EMR感知型陆地机器人

此外，由于导电织物层的电磁感应效应，该MFF致动器具备出色的EMR感知能力，能够在EMR周围产生感应电压，有效检测0.1 W ~ 3000 W范围内电器的电磁辐射，探测距离可达9米，检测灵敏度高达99.73% ± 0.15%，相较于商用探测器，显示出更宽泛的有效探测距离和应用适应性。此外，该致动器的EMR感知能力表现出优异的机械耐久和热稳定性，为EMR远程信息采集和安全防护等应用提供了新思路（图4）。

图5. EMR感知型水生和两栖机器人

利用HP-P薄膜的疏水性和光热效应，可在水上产生Marangoni推进力，实现光热操控的多方向和曲线运动。通过在HP-P致动器边缘部署BP光热增强图案，可提升光热Marangoni推进力，实现了物体装载、运输及水上迷宫穿越。受此启发开发了水陆两栖机器人，通过足部BP图案增强光热效应，结合仿生“竹筏”中空阵列结构，提高了浮力和方向稳定性，实现了水上可控运动。该两栖机器人无论在水面还是陆地均能稳定感知EMR，显示出高灵敏动态EMR检测能力（图5）。

本文通过热压编程策略，开发出一种高性能的纤维膜光热致动器，并实现对EMR的动态感知。热压成型的微熔多孔纤维膜同时增强了薄膜的光热效应、机械强度和韧性，使纤维致动器展示出优异响应速度、弯曲曲率和循环稳定性；同时，利用致动器厚度、结构取向、组装方式和局部光热图案的精确调控，展示了多种2D-3D结构转换式智能变形材料、爬行/跳跃机器人、水上机器人和两栖机器人，实现了致动器在复杂环境中动态检测EMR的能力。两栖机器人可在同一刺激下自主适应陆地和水域环境，显示了优异的动态EMR感知能力和应用场景适应性。这项工作可为高性能纤维材料的开发提供策略参考，并为开发具有自主环境适应/感知能力的智能材料和软体机器人提供启发。

论文信息：M Wu, X Zhou, J Zhang, L Liu, S Wang, L Zhu, Z Ming, Y Zhang, Y Xia, W Li, Z Zhou, M Fan, J Xiong*, Microfiber Actuators With Hot-Pressing-Programmable Mechano-Photothermal Responses for Electromagnetic Perception, Advanced Materials, 2024, 10.1002/adma.202409606.

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202409606

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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（责任编辑：xu）

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