虾壳启发出一篇《AM》

近年来，软执行器在材料和结构设计方面的发展取得了重大进展。尽管如此，软执行器目前必须解决的另一个挑战是对恶劣环境条件的抵抗力。这是因为用于制备薄膜致动器的常见聚合物材料由于其在苛刻的化学和物理条件下的形状变形、分解、氧化和溶解，通常表现出有限的环境耐受性。此外，这些目前报道的薄膜跳跃致动器由光驱动，具有远程控制以及光强度和波长的精确调节的优点。然而，由于其直线传播，光线很容易被障碍物阻挡。因此，需要基于其他刺激的跳跃执行器来满足不同场景下的需求。

鉴于此，南开大学刘遵峰教授、美国德州农工大学方磊教授、中国药科大学周湘副教授合作制备了一种薄膜跳跃致动器（PIQA/CNS），该致动器表现出虾壳结构，由碳纳米管 (CNT) 片连接的共轭梯形聚合物制成。分级多孔结构保证了有机蒸气的快速吸收和解吸，从而实现了高响应率。致动器在高达 225 °C 的温度和浓硫酸中以及浸入许多有机溶剂中时不会出现形状变形。这种独特的设计将为开发用于外科手术的微型机器人、微芯片和用于检测挥发性气体种类的传感器、控制器和其他仿生应用提供新的机会。相关工作以“Robust Jumping Actuator with a Shrimp-Shell Architecture”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

执行器的制备和蒸汽吸收特性

聚（茚并喹吖啶酮）（PIQA）薄膜是由可溶液加工的线性聚合物前体聚（苯胺-共芴）（PAF）通过甲磺酸（MSA）催化的闭环成环制备的。PIQA薄膜表现出9.4 MPa的断裂强度、1.2%的断裂应变和46.8 kJ m^-3的断裂韧性。PIQA/CNS双层膜的制备是通过将PAF/MSA溶液浸入载玻片上高度对齐的CNS进行退火获得的（图1）。通过沿CNT排列方向拉伸PIQA/CNS薄膜，断裂强度、断裂应变和韧性分别为56.1 MPa、4.6%和1.26 MJ m^-3，分别比PIQA薄膜高6倍、3.9倍和27倍。此外，PIQA/CNS薄膜暴露于CH₂Cl₂蒸气后，厚度在1.2秒内增加了6.6%。随后去除CH₂Cl₂蒸气导致CH₂Cl₂分子在0.2秒内从PIQA/CNS膜中快速释放。在CH₂Cl₂蒸气吸收-解吸的50个研究循环中观察到33.2%的稳定重量变化（图2）。

图1虾壳结构PIQA/CNS薄膜的制造和驱动

图2执行器薄膜的机械性能和CH₂Cl₂蒸汽吸收性能

执行器的驱动性能

作者研究了执行器响应有机蒸汽的驱动行为（图3）。在暴露于CH₂Cl₂蒸气后，弯曲的执行器迅速伸直以形成准直的薄膜。在开放烧杯中接近CH₂Cl₂溶剂的表面后，高度弯曲的执行器在4.33秒内迅速伸直，然后缓慢弯曲。在离开CH₂Cl₂表面后，样品在2.50 s内恢复了初始弯曲形状。蒸汽诱导的执行器的表现出快驱动速度（314.1-6000°s^-1），大弯曲角（188-288°mm^-1），是最好的蒸汽驱动之一。特别是，通过将CH₂Cl₂蒸汽吹过管获得的驱动速度（7875°s^-1）和响应时间（0.04 s）高于最先进的蒸汽驱动双压电晶片驱动器。此外，将高度卷曲的执行器放置在覆盖含有CH₂Cl₂的烧杯的打印纸上。由于薄膜的两端没有束缚，一端通过吸收CH₂Cl₂蒸汽，而另一端在延伸之前将薄膜重击到空气中，从而导致快速跳跃驱动执行器在130 ms内达到了2.6 cm的最大高度，整个过程使用了230 ms。初始速度达到0.71 ms^-1，从而产生0.25 J kg^-1的比功容量（图4）。

图3执行器的驱动性能

图4执行器的跳跃驱动

执行器抵抗恶劣环境条件的能力

在恶劣的环境条件下工作的可能性对于软机器人来说是非常理想的。PIQA对有机溶剂、腐蚀性溶液和高温的显着环境耐受性激发了对PIQA/CNS执行器抵抗这些恶劣环境的能力的研究（图5）。聚乙烯 (PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚氨酯 (PU) 和聚苯乙烯 (PS) 分别用于制备PE/CNS、PET/CNS、PU/CNS和PS/CNS 双层膜。将这些薄膜加热至225°C，然后将它们冷却至室温。PE/CNS、PU/CNS和PS/CNS样品在加热至>136 °C时表现出高度扭曲的形状，并且在冷却至室温后无法恢复其初始形状。PET/CNS样品在加热过程中弯曲，冷却后没有恢复其原始形状。相反，PIQA/CNS 薄膜在加热到 225°C 后会发生弯曲，冷却后又恢复了初始形状。这一观察结果表明PIQA/CNS双层致动器与使用传统聚合物生产的致动器相比具有优异的耐热性。此外，作者还研究了薄膜对甲苯、DMF和浓硫酸的耐受性。将这些薄膜浸入上述溶剂中2分钟，然后用水冲洗，然后风干。PIQA/CNS样品的形状没有表现出任何可观察到的变化，而其他聚合物则表现出各种形式的变形。

图5 PIQA/CNS与普通聚合物的恶劣环境耐受性的比较

小结：作者制备了一种表现出虾壳结构的稳健跳跃致动器。快速跳跃能力源于 PIQA 层的高模量和虾壳结构的高灵活性的不可或缺的结合。阶梯结构赋予 PIQA 对恶劣环境的耐受性。响应于挥发性有机溶剂，所产生的致动器可以在高比致动应力、高弯曲速度以及大弯曲角度的快速响应时间 (40 ms)。跳跃驱动是在有机溶剂蒸气中实现的，在高温（225°C）以及浓硫酸和有机溶剂中可以耐受形状变形。跳跃执行器的这种设计可以成为用于快速响应和操作应用的紧凑型机器人和智能仪器的新设计的基础。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104558

来源：高分子科学前沿

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