Nano energy: 基于高柔順變形導電三明治薄膜的仿生水下自感知驅動軟系統

【引言】

自然界中的生物由于其良好的適應能力而能夠在復雜的自然環境中生存和繁衍，如能夠感知危險信號，并據此來調整自身的形態和運動以逃避危險。而賦予生物這種能力最重要的組成部分之一是具有感知和機械變形特征的軟組織，它能夠可逆地改變其外貌和行為。受到這些軟組織和功能的啟發，人們致力于開發各種軟材料來構建比色傳感器/驅動器，電子皮膚和氣動/液壓驅動偽裝系統。彈性體由于其固有的柔韌性、彈性和可拉伸性，能夠很好地模擬生物系統和功能，且對環境友好，是一種極具前途的仿生軟材料。

目前，已有各種功能部件被集成到彈性體中，賦予它們可設計的形態和功能，以實現對生物體功能的模仿和制備具有類生物體行為的軟體機器人。最近，Shepherd等人通過在彈性膜中引入不可拉伸的紡織圖案，實現了從二維(2D)平面到三維(3D)形狀的可控形狀轉換。而Gorodetsky等人開發了一種三明治結構的丙烯酸酯彈性體，它與質子導電成分結合，可以通過機械或電驅動動態調節光的傳播，有望用于模仿頭足類生物的偽裝。

雖然目前已經大量研究了具有類皮膚可拉伸變形行為的彈性體驅動系統，但是還缺乏在同一個系統中感知和變形/運動能力的協同作用，這導致驅動器不能像生物體一樣根據外界的刺激響應來調節自身的行為。除了陸地環境之外，水下仿生智能行為，尚未在人工集成系統中得到開發。大自然為我們提供了構建水下智能系統的靈感。例如，小丑魚的魚鰾作為一個共振器可以實現對周圍環境的感知，并通過進一步的信號反饋來指導魚鰾可逆的膨脹和收縮行為，以控制在水中的垂直運動。這種水下感知、運動行為和進一步反饋信息的能力，有助于豐富和開發軟驅動系統的應用范圍。

【研究簡介】

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員課題組在Nano Energy上發表了一篇題目為“Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films”的文章。報道了一種具有良好柔性和彈性的水下驅動、傳感復合膜。該復合薄膜是由可拉伸的彈性PDMS基體和導電CNTs網絡薄膜組成的三明治結構（PCP），這種CNTs網絡薄膜具有類似皮膚神經網絡的感知功能。由于復合薄膜良好的彈性、自適性和保形性，它可以進一步轉移至一個中空的模型上形成自封閉的自支撐體系。外界氣壓的變化時，會引起復合膜發生膨脹或者凹陷變形。根據壓阻傳感機理，復合薄膜的這種形變會引起碳納米管導電網絡間接觸電阻的變化，從而實現對變形行為的實時監測。當將整個系統置于水中時，可以用膜的膨脹和凹陷行為去模仿魚鰾的充氣/放氣行為，通過調節外界氣壓可以實現對整個系統在水中的上下運動行為的精確控制，同時其運動過程也可以通過電信號實時監測。此外，該復合膜還能模仿魚鰾的感知功能，實現對外界信號的監測感知并根據感知信號執行氣動驅動行為。因此，該研究成功地將傳感和驅動功能集成到一個三明治復合膜中，實現協同仿生行為，在智能集成軟機器人方面展示出巨大的潛力。

【圖文簡介】

圖1

（a）小丑魚由魚鰾充氣/放氣行為引起的上浮/下潛運動示意圖；

（b）真實魚鰾經冷凍干燥后的SEM圖像；

（c-d）在空氣/水界面制備超薄PDMS和CNTs/PDMS Janus膜的示意圖，以及將二者集成為一個三明治自感知彈性復合膜（PCP）的制作過程示意圖；

（e）PCP膜的結構示意圖；

（f）驅動變形和傳感的協同作用示意圖；

（g-h）CNT /PDMS Janus膜在分別水側和空氣側的掃描電鏡圖；

（i-j）PCP膜的截面掃描電鏡圖(i)和二維拉曼圖(j)。

圖2

（a）表現出良好變形行為的純PDMS超薄膜；

（b）用超薄PDMS膜模仿魚鰾的充氣/放氣行為。當在外界氣壓控制下，由膜的膨脹和凹陷引起模型的上浮/下潛過程；

（c）具有良好的保形性和自支撐性能的CNTs/PDMS超薄Janus膜；

（d）純PDMS和CNTs/PDMS Janus膜兩側的拉曼光譜；

（e）PDMS/CNTs Janus薄膜橫截面的二維拉曼光譜。

圖3

（a）CNTs/PDMS Janus薄膜的傳感性能；

（b）在不同氣壓下CNTs/PDMS Janus薄膜的ΔR/R₀變化曲線（空氣中）；

（c）用CNTs/PDMS Janus薄膜來模仿人工魚鰾以感知水下深度的示意圖；

（d）在不同深度的水壓下CNTs/PDMS Janus薄膜的ΔR/R₀曲線；

（e）Janus薄膜傳感器分別在空氣和水中檢測手指彎曲和釋放過程中的電阻變化；

（f）Janus薄膜的水下電信號穩定性。

圖4

（a）PCP薄膜的照片，插圖: PCP薄膜的微觀結構示意圖；

（b）PCP復合膜在膨脹狀態下的照片；

（c）Janus膜和PCP膜在加水后的電信號穩定性；

（d）PCP薄膜在水下的電信號穩定性；

（e）PCP薄膜的傳感性能；

（f）PCP薄膜在0 ~ 20%應變下以不同頻率(0.02 ~ 1Hz)拉伸時相對電阻的變化；

（g-h）當PCP復合膜轉移至手指上時，分別在空氣和水中檢測手指的彎曲行為；

（i）PCP薄膜傳感器與文獻中三明治結構傳感器的靈敏度(GF)、拉伸性和厚度的對比。

圖5

（a）當PCP復合膜的直徑為36mm時，PCP膜在不同環境壓力下的變形性能；

（b）在相應條件下PCP膜的變形性能的有限元模擬結果；

（c）PCP膜的變形的圓心角與不同環境壓力的關系；

（d）用有限元仿真模擬了PCP復合膜在不同直徑(10、20、28、36和50 mm)下在20 kPa時的變形；

（e）PCP復合膜變形圓心角與ΔR/R₀的關系；

（f）驅動器在不同外界壓力下的下潛速度和上浮速度(以位移和時間表示)；

（g）通過控制環境壓力來控制驅動器的懸浮能力；

（h）利用驅動器的下潛和上浮運動來切割磁感應線以產生感應電壓和電流；

（i）驅動器在17.3 kPa氣壓循環運動下，切割線圈過程所產生的感應電勢。

圖6

（a）人工魚鰾以非接觸的方式感知周圍環境的示意圖；

（b）分別將人工魚鰾放置于水下10厘米和空氣中時，當不同質量的小球從20cm的高度落下時ΔR/R₀的變化；

（c）分別將人工魚鰾放置于水下10厘米和空氣中時，當質量為8.4 g的小球從不同高度落下時ΔR/R0的變化；

（d-j）人工魚鰾對人的跺腳（d）(d)、原地踏步（e）、拍籃球（f）、用尺子敲擊容器壁（g）、向液面吹氣（h）和用直尺攪拌水面（i）時的感知。

圖7

（a）人工魚鰾氣動驅動器的示意圖；

（b）人工魚鰾驅動器在下潛/上浮過程中的照片。箭頭的方向表示運動的方向；

（c）用人工魚鰾去模仿魚的感知及運動行為，當人工魚鰾感受到外界的危險信號時，可以據此去引導和追蹤其進一步的運動；

（d）人工魚鰾驅動器感知的水下位置；

（e）人工魚鰾驅動器在重復下潛/上浮過程中的實時信號記錄。

【小結】

總之，研究者通過在兩層超薄聚二甲基硅氧烷(PDMS)之間引入一層碳納米管(CNTs)網絡制備了具有類人體皮膚的神經網絡結構的復合膜。由于復合膜良好的彈性和可拉伸性，可將其作為一種具有自感知功能的氣動軟驅動器。通過調節外界壓力，彈性超薄PDMS薄膜可以發生類似于魚鰾充氣/放氣式的膨脹和凹陷變形，當將其置于水中時，可以精確地控制驅動器的垂直運動。此外，由于具有類似神經網絡結構的CNTs層，驅動器可以實時跟蹤運動過程并感知周圍環境，且可以根據感知到的外界信號反饋來進一步的指導驅動器的運動。這項工作為具有水下協同運動和傳感行為的智能軟驅動系統的設計提供了新的見解。

文獻鏈接：Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films, 2020, nano energy, doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105617