【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】氣動執(zhí)行器因其彎曲程度高、自由度大、環(huán)境適應性強等特點，在醫(yī)療保健、復雜地形勘探等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。但由于其壓力系統(tǒng)離不開笨重且剛性的泵驅(qū)動氣體設(shè)備，極大地限制了執(zhí)行器的尺寸和移動性，以及在室外環(huán)境中的應用。液-氣相變復合材料是一種在柔性彈性體中摻雜液-氣相變材料而形成的智能材料。
 

　　當溫度達到材料沸點時，液滴蒸發(fā)產(chǎn)生壓力，帶動復合材料膨脹，因此每個微液滴都可以看作是一個氣動單元。通過這種方式，將氣源和氣泵的功能集成到主要材料中，大大降低了系統(tǒng)的復雜性。然而，相變執(zhí)行器的加熱方式受到焦耳加熱或環(huán)境加熱的限制，需要外接電源或更高的環(huán)境溫度，這阻礙了其更廣泛的應用。此外，目前對執(zhí)行器變形行為的監(jiān)測通常由光學相機記錄，然后對獲得的圖像進行后分析，缺乏實時性。因此，如何設(shè)計一個無系繩，且具有感知自身運動的柔性執(zhí)行器仍是一個挑戰(zhàn)。
 

　　針對上述問題，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造材料技術(shù)團隊程昱川研究員和孫愛華研究員基于石墨烯、低沸點溶液微滴和硅橡膠，制備了一種集成變形驅(qū)動和傳感特性于一體的光響應液-氣相變彈性體(PRPTE)(如圖1)。PRPTE具有優(yōu)異的機械性能，在100℃時，低沸點發(fā)生液-氣相變產(chǎn)生的軸向力可以高達自身重量的400倍，且穩(wěn)定性良好。以該材料為主動層材料，團隊采用4D打印技術(shù)制備了一系列柔性執(zhí)行器，實現(xiàn)彎曲、抓取和爬行等光控程序化運動(如圖3)。
 

　　尤其重要的是，基于電容變化PRPTE表現(xiàn)出自傳感特性。石墨烯吸收近紅外光產(chǎn)生熱量，低沸點液體發(fā)生液-氣相變，介電常數(shù)減?。皇┮蚬柘鹉z膨脹而逐漸分散，彈性體介電常數(shù)減?。煌瑫r電極間距增大。在以上三個因素的共同作用下，PRPTE的電容會迅速減小，從而實現(xiàn)對其變形的實時感知。模仿生物體利用其自身信號反饋調(diào)節(jié)肌肉收縮和拉伸，從而進行復雜運動，團隊制備了一種人工肌肉(如圖2)。該人工肌肉可以通過反饋的電容值得知腿部彎曲角度，并根據(jù)需要的角度進行精確控制。該研究實現(xiàn)了柔性執(zhí)行器的驅(qū)動/傳感一體化功能集成，為設(shè)計和制造具有集成自感知能力的軟機器人提供了新思路。
 

　　該工作以“4D printing Light-Driven soft actuators based on Liquid-Vapor phase transition composites with inherent sensing capability”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140271 (https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140271)。本研究得到了浙江省自然科學基金(No.LZ22E030003)、國家重點研發(fā)計劃(No.2021YFB3701500)、國家自然科學基金(No.11874366)和寧波市重大科技攻關(guān)(No.20211ZDYF020228)等項目的支持。
 

圖1 PRPTE執(zhí)行器的驅(qū)動、傳感原理和制造
 

圖2 PRPTE傳感性能的表征
 

圖3 4D打印PRPTE/PDMS雙層結(jié)構(gòu)執(zhí)行器