自然界中的許多生物都具有適應(yīng)環(huán)境的能力，能夠在特定的外部環(huán)境中產(chǎn)生自主的、連續(xù)的和有規(guī)律的響應(yīng)。這種生物的自主智能特性啟發(fā)了研究者去研發(fā)能夠適應(yīng)外部環(huán)境刺激、產(chǎn)生自主變形運(yùn)動的柔性智能驅(qū)動器以及軟體機(jī)器人。然而，大多數(shù)柔性智能驅(qū)動器在恒定不變的外部環(huán)境刺激下僅產(chǎn)生不可維持的、無自主性的單次運(yùn)動。模擬生物體的自主運(yùn)動特性，設(shè)計出在恒定的外部環(huán)境刺激下產(chǎn)生自主運(yùn)動的柔性智能驅(qū)動器目前仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
針對這一挑戰(zhàn)，合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院胡穎研究員在吳玉程教授的領(lǐng)導(dǎo)下，設(shè)計了一種能在恒定光照下產(chǎn)生連續(xù)自振蕩波動運(yùn)動的柔性碳納米管/聚合物復(fù)合驅(qū)動器，并實(shí)現(xiàn)了其在光照下的自主趨光爬行運(yùn)動。該驅(qū)動器由具有卷曲結(jié)構(gòu)的水滴形狀碳納米管雙層薄膜組成，可以被普通的白光光源所驅(qū)動，產(chǎn)生持續(xù)的具有波動形式的自振蕩變形運(yùn)動，其運(yùn)動形式類似于人體仰臥起坐（圖1）。這種新型波動振蕩運(yùn)動的產(chǎn)生機(jī)制主要來源于光熱驅(qū)動結(jié)合陰影效應(yīng)所產(chǎn)生的光-機(jī)械負(fù)反饋、光熱響應(yīng)沿著驅(qū)動器長度方向的時間延遲所導(dǎo)致驅(qū)動器由右到左的變形滯后，以及驅(qū)動器卷曲結(jié)構(gòu)的良好機(jī)械彈性。
圖1. a）水滴狀柔性驅(qū)動器在恒定光照下產(chǎn)生類似于人體仰臥起坐運(yùn)動的自主連續(xù)變形的示意圖。b）恒定光照下自主連續(xù)變形的圖片。c）驅(qū)動器在恒定光照下產(chǎn)生自主連續(xù)振動運(yùn)動的機(jī)理示意圖。d）柔性驅(qū)動器在光照下產(chǎn)生從平躺（ii）到起身（i）然后再返回平躺（ii）的實(shí)時變形圖片。 e）驅(qū)動器在恒定光照下的實(shí)時高度變化曲線。 f）驅(qū)動器末端在恒定光照下自主變形的運(yùn)動軌跡圖，表明其運(yùn)動為波動運(yùn)動。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該柔性驅(qū)動器對外界光照刺激具有自適應(yīng)性。當(dāng)改變光照方向和強(qiáng)度時，其產(chǎn)生的自主變形也相應(yīng)的發(fā)生了改變。當(dāng)光照從驅(qū)動器的側(cè)面入射時，驅(qū)動器產(chǎn)生了類似于仰臥起坐與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動相結(jié)合的具有新型模式的自主變形運(yùn)動（圖2）。
圖2 d–f）當(dāng)光照從側(cè)面入射時，驅(qū)動器產(chǎn)生連續(xù)的仰臥起坐運(yùn)動和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動的示意圖、機(jī)理圖及光學(xué)圖像。 g）驅(qū)動器在持續(xù)側(cè)面光照下的自主變形的高度變化。
由于在恒定光照射下呈現(xiàn)出的獨(dú)特的自主波動運(yùn)動，該柔性驅(qū)動器在軟體機(jī)器人和能量收集領(lǐng)域具有較大的潛力。例如，設(shè)計制備了基于該驅(qū)動器的“機(jī)器蛇”，在光照下，“機(jī)器蛇”能以波動傳播的方式自主地、連續(xù)地向光源爬行，表現(xiàn)出了飛蛾撲火的趨光運(yùn)動智能特性。這種持續(xù)的趨光爬行運(yùn)動主要是由周期波動運(yùn)動與地面的相互作用引起的。（圖3）。此外，該“機(jī)器蛇”還可以放置在由摩擦電材料組成的基底上，從而構(gòu)筑了一種新型的光驅(qū)動器發(fā)電機(jī)，通過光照下的連續(xù)自振蕩運(yùn)動導(dǎo)致的周期性接觸分離與摩擦電效應(yīng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在持續(xù)光照下的連續(xù)電信號輸出（圖4）。
圖3. 恒定光照下的自主向光爬行運(yùn)動。 a）“機(jī)器蛇”向光爬行示意圖。 b-c）在恒定光照下驅(qū)動器自主向光爬行運(yùn)動的光學(xué)圖像與紅外熱像圖。d）自主向光爬行的機(jī)理示意圖。 e）驅(qū)動器隨時間變化的爬行位移變化。 f）無導(dǎo)線連接的驅(qū)動器的向光爬行運(yùn)動。g）一端連接有導(dǎo)線的驅(qū)動器的向光爬行運(yùn)動。
圖4. 光驅(qū)動發(fā)電機(jī)的設(shè)計和性能表現(xiàn)。 a）光驅(qū)動摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖。 b）光驅(qū)動發(fā)電機(jī)在恒定光照下的工作過程的光學(xué)圖像。 c）持續(xù)光照射下光驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的開路電壓。 d）發(fā)電機(jī)在不同強(qiáng)度入射光照射下產(chǎn)生的開路電壓。 e）光驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的開路電壓幅值與光強(qiáng)度的關(guān)系。
以上研究成果以 “An Autonomous Soft Actuator with Light‐Driven Self‐Sustained Wavelike Oscillation for Phototactic Self‐Locomotion and Power Generation”為題作為內(nèi)封面論文發(fā)表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908842）上。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201908842
