《ACSNano》：自然太阳光驱动的柔性光驱动器及其自主定向运动

《ACS Nano》：自然太阳光驱动的柔性光驱动器及其自主定向运动

自然界中存在多种多样的能量源，比如太阳光、风、湿度等等。自然界中许多动植物已经进化出感应外部环境中的自然能源的变化、并产生相应的机械运动的能力。例如，由于太阳辐射引起的茎两侧的不对称伸长，向日葵可以追踪太阳的运动；松果鳞片在干燥的环境空气中打开鳞片释放成熟的种子，而在潮湿的环境中则闭合鳞片；果蝇能够感知并向光源方向飞行，产生趋光运动。通过模拟具有环境刺激响应特性的生物体，发展能够利用自然环境中的能源来产生自主运动、而无需人工能源和人工控制的柔性驱动器和智能微型机器人在工业、环境检测、以及军事等方面具有重要的应用潜力，但仍然是一个挑战。

针对该挑战， 合肥工业大学胡颖研究员在吴玉程教授的领导下，与中科院上海硅酸盐所王冉冉研究员、南京工业大学武观副教授等合作，设计制备了基于非对称层状微观结构MXene薄膜的柔性光驱动器，该驱动器能感知自然太阳光强度的波动变化，产生相应的机械变形响应；进一步通过仿生设计实现了柔性驱动器在自然环境太阳光照射下的自主定向运动，并发展了和衣物相结合的太阳光驱动的智能可穿戴“饰品”。

柔性光驱动器的设计制备

研究人员采用偶联剂IPTS对MXene（Ti 3 C 2 T x ）进行修饰，增大了MXene纳米片的层间距；并采用真空抽滤的方法制备了不对称微观层状结构以及力学性能增强的独立支撑的MXene薄膜（图1）。由于MXene纳米片的良好光热效应、层间距的增大有利于水分子的插层/脱层、以及上下层的非对称的层间距结构对于变形的放大作用，该薄膜表现出宏观尺度的光驱动响应，在光照下可产生可逆的快速弯曲变形。 在此基础上，通过与聚合物薄膜的复合，研制了一种对自然太阳光具有超高响应的柔性双晶片结构光驱动器（图2）。该驱动器能在自然环境中的太阳光照射下可产生快速的弯曲变形，其变形角度可达346度（图2b）。而当入射太阳光的光强发生变化时，该驱动器可实时感知阳光的变化并产生对应的机械变形。当采用200mw/cm 2 的人工光源照射该驱动器时，它能在2.1秒的时间内产生700度的弯曲变形，具有快速响应、变形幅度大的优异光驱动性能（图2c）。

图1. 具有非对称的微观层状结构的IPTS偶联剂修饰的MXene薄膜的制备示意图、及非对称的微观层间距表征。

图2. 基于MXene薄膜的柔性双晶片光驱动器在自然太阳光以及人工光源照射下的快速弯曲变形。

自然太阳光照射下的自主定向运动

照射到地面上的阳光受到云彩、树木、入射角度等自然环境因素的影响，其光强会在一定范围内波动。利用该驱动器在自然阳光光强波动下的连续弯曲变形作为机械动力源，并通过仿“尺蠖”的结构设计来矫正重复弯曲变形为定向运动（图3a、b），从而构造了仿尺蠖的柔性机器人，实现了其在自然阳光照射下、无需人工能量和控制的自主定向运动（图3c）。

图3. 仿尺蠖结构的柔性驱动器在自然太阳照射下、无需人工控制的自主定向运动。

除了直接利用自然阳光的波动外，还可以通过人手对太阳光的周期性遮挡来控制驱动器的连续变形（图4a），从而实现其快速定向运动。通过这种简单的控制方法，该仿尺蠖“机器人”在225s内爬行了73毫米（图4b）。该“机器人”还可以运输物体（图4c），以及伪装成“尺蠖”在户外落叶上爬行（图4d）。

图4. 人手来控制自然太阳光照射的开/关、实现仿尺蠖的柔性“机器人”在阳光下的快速定向运动。

可穿戴智能饰品

利用该驱动器还制备了能在阳光照射下举起物体的柔性臂（图5a），以及“熊猫”机器人饰品。该“熊猫”饰品可以在自然阳光照射下改变面部表情和身体动作，从沮丧的蜷缩变成快乐的手舞足蹈（图5b）。在智能可穿戴应用方面，该驱动器还可用于制备可穿戴的装饰品和品牌标识，与服装相结合，在自然阳光下可产生三维变形（图5c、5d），可以保护裸露的皮肤免受强烈阳光的伤害，使衣服更加智能化。

图5. 采用柔性驱动器制备的可穿戴饰品，能集成到服装上，在自然太阳光下产生三维变形。

该研究以 “Self-Locomotive Soft Actuator Based on Asymmetric Microstructural Ti3C2Tx MXene Film Driven by Natural Sunlight Fluctuation”为题在线发表在《ACS Nano》（DOI: 10.1021/acsnano.0c10797）上。论文的通讯作者为 合肥工业大学胡颖研究员， 中科院上海硅酸盐所王冉冉研究员与 南京工业大学武观副教授，共同第一作者包括 合肥工业大学杨露露博士和 中科院上海硅酸盐所博士生闫秋阳。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10797

来源：高分子科学前沿

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