合工大胡颖/哈工大彭庆宇 AFM：能在低光强下工作的多角度向光自振荡器

2024-10-29 来源：高分子科技

当前大多数柔性智能驱动器在受到外部能量刺激时只能实现单向变形，并在达到最大变形量后保持形变。为了实现多次可重复的驱动行为，通常需要对驱动器施加周期性的能量刺激，但这无疑会增加操作系统的复杂性。

近年来，研究人员致力于开发能够在持续刺激下实现连续和自主运动的柔性智能驱动器。最典型的例子是基于光驱动变形引发的自阴影效应的光响应自振荡器，其可以在恒定光照射下实现自持续的振荡行为。然而，当前的光响应自振荡器依然存在一些问题有待进一步解决。首先是缺乏多向可控性。目前大多数光响应自振荡器通常只能在适当入射角的光照射下产生自持续振荡行为。当光源的入射角太小或太大时，驱动器无法在系统中建立稳定的负反馈回路，只能实现简单的驱动变形。其次，工作光强较大。为了充分利用自然界中丰富的太阳能资源，拓展光响应自振荡器的未来应用场景，有必要开发能够在一个太阳能级（100 mW/cm²）甚至更低光强下工作的自振荡器。

为了解决上述问题，合肥工业大学胡颖、常龙飞团队联合哈尔滨工业大学彭庆宇教授团队开发了一种基于Ti₃C₂T_x MXene、镀铜聚酰亚胺（PI-Cu）、以及聚乙烯（PE）的多层复合膜柔性驱动器，该驱动器可以在空气中工作，并在恒定的光照下产生自持续振荡行为。更重要的是，即使光源的入射角发生变化，该驱动器也可以自主跟踪入射光并产生向光自振荡运动。该驱动器可以在各种光源下实现自持续向光振荡行为，包括近红外激光、红色激光、绿色激光、白色LED光以及模拟太阳光，其最小工作光强低至50 mW/cm²。通过调节刺激强度，可以进一步调节驱动器的振幅和频率。该研究以题为“MXene-Based Soft Actuators With Phototropic Self-Sustained Oscillation for Versatile Applications in Micro Robotics”的论文发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。哈尔滨工业大学助理研究员徐亮亮，合肥工业大学硕士研究生徐英奇为论文的共同第一作者。

图1 MXene/PI-Cu/PE多层复合膜驱动器的光响应自持续振荡行为及振荡机制

该复合驱动器的光响应驱动变形是由Ti₃C₂T_x MXene良好的光热效应、水分子依赖的层间距变化，以及多层材料间的热膨胀系数差异导致的。基于驱动器系统中光-热-机械相互作用引起的内置负反馈回路，结合自阴影效应，该复合驱动器能在恒定的近红外激光照射下产生自持续振荡行为。更重要的是，即使改变光源的照射角度，该驱动器也可以产生向光自振荡行为。

图2 复合膜驱动器在白色LED光照下的向光自振荡行为

除激光光源外，该复合驱动器还可以在LED面光源的照射下产生向光自持续振荡行为。由于多层材料间的巨大热膨胀差异带来的优秀光驱动性能，能满足该复合驱动器实现向光自振荡运动的最小工作光强低至50 mW/cm²。

图3 基于该复合膜驱动器的智能应用

基于该多层复合膜驱动器的向光自持续振荡行为，展示了其在信号发射器、光驱动帆船、光-机械电机以及具有仿生运动的软机器人等领域的广泛应用前景。与以往的工作相比，基于该复合膜驱动器的智能应用可以在较低的光照强度下实现。

这项工作为设计具有多方向可控性且可以在低光强下工作的柔性光驱动自振荡器提供了一种新的策略，并促进了能够在恒定能量刺激下工作的自主运动软体机器人的进一步发展。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414338

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（责任编辑：xu）

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