清華大學Adv. Mater.:激光誘導石墨烯用于電熱控制、力學引導、3D組裝和人機交互

【背景介紹】

三維細微觀結構在微電子器件，光電子，微機電系統，生物醫學等領域展現了重要的應用前景。現有的三維結構制備技術主要包括3D打印技術、模板化生長技術、射流自組裝技術和力學引導的屈曲組裝技術。在這些方法中，力學引導的屈曲組裝技術最近引起了科學界的廣泛關注。這一組裝過程從制備平面圖案化2D前驅體結構開始，然后通過控制結構折疊、彎曲和/或屈曲等進行2D-to-3D形狀轉換。該工藝與現有的先進平面制造技術（如光刻和激光加工技術）自然兼容。因此，微/納米結構、傳感器和/或其他功能組件可以無縫集成到3D架構中。

力學引導的三維組裝技術的進一步發展要求能夠按需和可逆地控制三維構型的重構，這對于許多新興應用來說是非常理想的，例如響應性超材料、軟體機器人和可調諧光學。目前，許多有前途的驅動材料如介電彈性體、形狀記憶聚合物、聚合物復合材料和水凝膠等，它們可以由電、熱、光、磁、溶劑、濕度和/或多種刺激物驅動。然而，這兩種策略分別在高工作電壓（數千伏）和低可逆性和循環性方面有一定的局限性。其次，現有的電熱控制三維組裝研究大多缺乏合理的設計方法和裝配策略來實現復雜幾何結構的三維重構。此外，人體和柔性執行器/機器人之間的相互作用也還沒有得到很好的研究。石墨烯由于其優異的電、熱、機械性能，是柔性電熱執行器中理想的熱功能材料。利用二氧化碳（CO₂）激光處理可以在大氣中將各種聚合物薄膜轉化為多孔石墨烯，即激光誘導石墨烯（LIG），其已經在柔性電子、人工喉、超級電容器和細菌空氣過濾器中的應用得到了很好的探索。然而，LIG在電驅動、電熱控制、力學引導的三維組裝等方面仍未有相關的進展，其具有很好的研究前景。

【成果簡介】

最近，清華大學張一慧教授和密蘇里大學-哥倫比亞分校閆政教授團隊合作報道了一種基于激光誘導石墨烯（LIG）的柔性電熱執行器的設計、制備和建模，并探討了其在力學導引的3D組裝和人體-柔性執行器交互中的應用。作者展示了超過20個復雜的3D結構，其中包括可重構的結構，即可以在三個不同的幾何結構中可逆切換。此外，作者還通過在高溫下制備LIG驅動器，可以在室溫下保持3D形狀而無需任何驅動。經有限元分析可以定量地捕捉電熱控制形狀轉換的關鍵方面，從而為快速優化設計提供可靠的工具。此外，作者還探討了它們在人體-柔性執行器交互中的應用，包括具有帶隙行為的人體手勢控制的彈性超材料和能夠按需測量人體心電圖的柔性機械手指。同時，作者也演示了包括人工肌肉（可以舉起大約110倍自身重量的物體），以及仿生青蛙舌頭（可以捕食昆蟲）等相關應用。相關成果以“Laser-Induced Graphene for Electrothermally Controlled, Mechanically Guided, 3D Assembly and Human‐Soft Actuators Interaction”發表于Adv. Mater.期刊上。

?【圖文導讀】

?圖一、基于LIG的柔性電熱執行器的制備、表征和建模

（a）制備工藝示意圖；

（b）LIG的SEM圖像；

（c）LIG的Raman光譜；

（d）LIG執行器最大彎曲角與驅動電壓的關系；

（e）2V方波驅動的LIG執行器的循環驅動及相應的彎曲角變化；

（f~k）光學圖像和有限元分析預測，f）環形和i）花狀結構由整體彎曲實現，g）方形和j）環形山狀結構由折紙啟發的局部彎曲實現，h）方形和k）脊狀結構由剪紙藝術啟發的局部彎曲實現。

圖二、由電熱驅動觸發的一系列力學組裝三維結構的實驗和計算研究

四個具有a）混合帶和膜、b）十二個結合在LIG執行器上的3D結構、c）和三個示例的2D前驅體、FEA預測和光學圖像，其最終幾何結構可通過LIG驅動器的時序驅動來控制。

圖三、制備過程中由熱應力引起的雙向形狀轉變的實驗和計算研究

（a）在高溫（≈150°C）下固化PDMS從而在LIG驅動器上產生熱應力的方案；

（b）在室溫下，U形LIG執行器在無驅動的情況下向PDMS側彎曲約360°時，在10 V驅動時變平，在20 V驅動時向PI側彎曲約300°；

（c~d）c）三維結構的光學圖像和d）有限元分析預測，該結構可以在室溫下保持三維花狀幾何結構而無需驅動（左），并在電熱驅動下重新配置為平面（中）和風車狀結構（右）。

圖四、人體-柔性執行器交互演示

（a~d）通過實時的肌電圖監測，a）人的姿態被用來控制，b）花狀結構的3D組裝，c）彈性材料的構型重構，d）可調帶隙行為；

（e）一種柔性機器人手指，它可以按需可逆地包裹人的手指進行心電圖測量。

【小結】

綜上所述，作者通過理論模擬和實驗驗證相結合的方法，系統地研究了基于LIG的柔性電熱制動器，并探索了其在力學引導、按需、可重構三維組裝和人機交互中的應用。作者以有限元分析為設計優化的基礎，成功構建了20多個復雜的三維結構。作者通過在制備過程中引入熱應力，實現了無需電熱驅動就能在室溫下保持三維形狀的結構。此外，作者還展示了它們在人工肌肉中的應用，這種肌肉可以舉起約110倍自身重量的物體，模擬可以捕食昆蟲的仿生青蛙舌頭，可通過人的手勢控制帶隙行為的彈性超材料，以及制作能夠以一種按需和可逆的方式測量來自人類手指的心電信號的軟機器人手指。這種具有按需、可逆、構型可重構能力的基于LIG的柔性電熱執行器，有望成為許多新興應用（如響應性超材料、軟機器人技術）發展的新方向。

文獻鏈接：Laser-Induced Graphene for Electrothermally Controlled, Mechanically Guided, 3D Assembly and Human‐Soft Actuators Interaction（Adv. Mater. 2020, 1904331）

本文由我亦是行人編譯。

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