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  軟體驅(qū)動器具有彈性、可連續(xù)變形、能順應(yīng)復(fù)雜環(huán)境以及具有高的安全性等諸多優(yōu)勢，在傳感器、可穿戴設(shè)備、人造肌肉、生物醫(yī)學(xué)和能源收集等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為滿足實(shí)際應(yīng)用的需求（如醫(yī)療機(jī)器人等），軟體驅(qū)動器應(yīng)同時(shí)具備如下特性：（1）小型化以實(shí)現(xiàn)對有限密閉空間的最小侵入性訪問；（2）“開”和“關(guān)”的狀態(tài)具有較大的性能差異，既足夠軟以順應(yīng)各種幾何環(huán)境，又足夠硬以便能執(zhí)行各種任務(wù)；（3）具有優(yōu)異的驅(qū)動性能，如高能量密度、高驅(qū)動應(yīng)變、高驅(qū)動應(yīng)力和大舉重比等；（4）可編程的變形能力。若具備上述特性，軟體驅(qū)動器便可在執(zhí)行任務(wù)時(shí)（如靶向藥物遞送/釋放和微創(chuàng)手術(shù)）靈活地適應(yīng)可能遇到的復(fù)雜和動態(tài)環(huán)境。然而，受限于設(shè)計(jì)和制造方法的不足，軟體驅(qū)動器往往無法同時(shí)滿足上述四個(gè)特性。

  近日，王立秋教授團(tuán)隊(duì)通過將仿生學(xué)設(shè)計(jì)和微流控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了 “剛?cè)岵?jì)”的微型軟體驅(qū)動器。仿生設(shè)計(jì)原理結(jié)合了海參真皮和植物卷須的結(jié)構(gòu)和功能特征，分別實(shí)現(xiàn)了“剛?cè)岵?jì)”和可編程形變的獨(dú)立調(diào)控和協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了軟體驅(qū)動器的整體性能。液滴微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微纖維型軟體驅(qū)動器的精確制備。

圖1. （a-c）仿生驅(qū)動器的設(shè)計(jì)靈感，分別結(jié)合了海參真皮（a）和植物卷須（b）的性能；（d）驅(qū)動器變形的示意圖；（e）微流控技術(shù)用于制備微型驅(qū)動器。（a）中海參照片作者為Fran?ois Michonneau，按照CC BY 3.0許可使用，（b）中植物卷須照片作者分別為W. Carter（上，CC0，維基共享資源）和Jon Sullivan（下，維基共享資源）。

  該仿生軟體驅(qū)動器呈微纖維狀，內(nèi)部嵌入有序排列的不對稱微顆粒條帶。微纖維由海藻酸鹽和硅藻土復(fù)合材料構(gòu)成，海藻酸鹽對濕度變化進(jìn)行響應(yīng)，硅藻土用于增強(qiáng)海藻酸鹽水凝膠網(wǎng)絡(luò)。不對稱微顆粒材料為乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），對濕度不響應(yīng)。當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，不對稱微顆粒兩側(cè)的微纖維產(chǎn)生不同程度的體積變化，從而發(fā)生形變。

  驅(qū)動器在吸水和脫水狀態(tài)下呈現(xiàn)出極大的機(jī)械性能差異，其楊氏模量、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、剛度等性能變化程度高達(dá)20-850倍，實(shí)現(xiàn)了剛?cè)岵?jì)的特性。因此，該驅(qū)動器可輸出優(yōu)異的機(jī)械功，其做功的能量密度、驅(qū)動應(yīng)變和驅(qū)動應(yīng)力分別超過天然肌肉4倍、>2倍和>30倍，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)17000倍的舉重比（舉起的載荷與驅(qū)動器的質(zhì)量比）。

圖2. （a）做功的能量密度和舉重比；（b-d）提起重物；（e）驅(qū)動應(yīng)變；（f-g）驅(qū)動應(yīng)力；（h）驅(qū)動速率；（i-k）微型抓手。

  由于其獨(dú)特的核-殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟體驅(qū)動器的形變程度在局部和全局尺度下均精確可調(diào)。利用微流控技術(shù)改變微纖維和微顆粒的幾何形貌和尺寸，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同類型的可編程形變，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、收縮、滾動及其各種組合等。

圖 3. （a-d）四種基本形變：彎曲、扭轉(zhuǎn)、收縮、滾動;（e）不同形變的組合；（f）模擬植物藤蔓；（g-k）可逆形變。

  這項(xiàng)工作提供了一種新的、通用的方法來設(shè)計(jì)和制造新型軟體微型驅(qū)動器，相關(guān)成果以Bioinspired Soft Microactuators為標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials上。論文的第一作者為朱平安博士，目前為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系助理教授，通訊作者為香港大學(xué)王立秋教授，共同作者還包括哈佛大學(xué)Michael Aizenberg和Joanna Aizenberg教授。

  論文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008558