清华大学杨洋/张莹莹/吉岩《Matter》：具有多重刺激触发愈合能力和多重响应的Vitrimer基执行器

软执行器在软机器人、电子设备、可穿戴设备等中非常受欢迎。多刺激响应和多通道自愈能力对于软执行器在不同环境中的使用至关重要。像自然界中的许多生物一样，它们对多种环境刺激具有自适应响应能力和自愈能力以求生存，软执行器也有望同时具备这两种功能。迄今为止，对多刺激响应软执行器的研究还很有限，对具有多通道自愈能力的执行器的研究很少，而且还没有同时具有这两种能力的执行器。此外，大多数报道的多刺激响应或自愈软执行器需要精细的结构设计，缺乏坚固的强度，并且无法回收利用。

鉴于此，清华大学杨洋博士、张莹莹副教授和吉岩副教授展示了简单地将碳化丝织物（CSF）热压到玻璃体表面会产生一种热固性软致动器，它可以通过五种刺激（光、电、电磁波、溶剂和热）有效和反复地自我修复，并且可以同时对四种刺激（光、电、热和溶剂）做出反应（图1）。此外，由于玻璃体的性质，它坚固、可持续、可回收和可再加工。这种软致动器可能会极大地拓宽其应用范围，因为当它在不同的环境条件下使用时，它有望通过一种方便且简便的工具进行修复和驱动。相关工作以“Vitrimer-based soft actuators with multiple responsiveness and self-healing ability triggered by multiple stimuli”为题发表在国际顶级期刊《Matter》上。

图1 Vitrimer基软致动器的示意图

执行器的制备和表征

作者使用的玻璃体是一种热固性环氧玻璃体（Epoxy vitrimer），它是通过双酚A的二缩水甘油醚与十二烷二酸在作为酯交换催化剂的三氮双环癸烯存在下在180°C下反应4小时制备的。CSF-玻璃体复合材料是通过在180°C下以2 MPa的压力将CSF热压到玻璃体表面30分钟来制备的（图2）。CSF层嵌入玻璃体表面，高度约为80 mm，避免了两层分层。CSF-玻璃体复合材料具有高导电性和稳定性。更重要的是，当CSF-玻璃体复合物薄膜被拉伸100%以上，玻璃体表面内的CSF断裂并相互断开，不导电；当拉伸的薄膜恢复到原来的形状时（由于形状记忆效应），它再次变得导电，因为断裂的CSF再次重新连接。

图2 Vitrimer基软致动器的制造和表征

复合材料的电热、光热和电磁热效应

首先，CSF-玻璃体复合材料具有很强的电热效应（图3）。CSF层具有高导电性，从而使CSF-玻璃体复合材料具有良好的导电性。当施加电压时，CSF层将电能转化为热量，引发玻璃体的快速酯交换。当电压为8 V时，其温度在15 s内达到180℃。其次，CSF-玻璃体复合物还具有优良的光热效应。CSF层强烈吸收光并迅速将光转移到热量，从而加热复合材料并触发酯交换以快速自愈。当暴露在强度为0.56 W/cm²的红外光下时，复合材料的温度会下降在大约1秒内达到180℃。第三，该复合材料具有电磁响应性：由于CSF层是一种无定形碳纳米材料，它可以将电磁波转化为热量并随后引发酯交换。

图3复合材料的电热效应光热效应

软执行器的多重自愈能力和多重响应

玻璃体软致动器由多种刺激（包括热、光、溶剂、电和电磁波）触发的自愈能力（图4）。通过施加8 V的电压、强度为0.56 W/cm²的红外光和800 W的微波，可以有效地治愈玻璃体层上的窄刀切口和针刺孔。它可以反复自愈而不会明显降低机械性能。溶剂能够在室温下发生酯交换，随后焊接、重塑和修复环氧玻璃体。除溶剂外，热、光、电和电磁触发愈合背后的基本机制是温度驱动的。光、电、溶剂引发的愈合效果优于热和电磁波。此外，当对整个复合材料进行不同程度的切割时，其中CSF层也被切割，例如，短切、半切和全切，这些切口也可以通过在外力下加热10分钟来愈合，以重新连接CSF切割面和玻璃体切割面。

图4软执行器的多重自愈能力

软执行器的可逆驱动可以由多种刺激触发，包括热、光、电和溶剂（图5）。当加热CSF-玻璃体复合物时，玻璃体层比CSF层膨胀得多，执行器向CSF层弯曲。通过将不同的CSF模式热压到玻璃体的两侧，可以获得不同的驱动器且形状可反复变化。此外，当CSF层在内部或外部时，它们的驱动是不同的。当热压CSF的时间较短时，CSF-玻璃体致动器在室温下弯曲但在高温下笔直。CSF-玻璃体致动器也分别对电、光和溶剂有响应。这些软执行器保持稳定，并且可以在分别经过100次加热/冷却循环、100次光开/关循环和100次8-V开/关循环后完全恢复。

图5软执行器的多重响应

小结：作者通过简单的热压开发了基于CSF和玻璃体的多功能热固性软执行器。这些软执行器可以通过五个不同的通道有效快速地自我修复，而不会明显降低机械性能和修复效率。它们的可逆驱动也可以由四种刺激触发。此外，复合材料表现出改进的机械性能并避免分层，并且它们可回收和再加工。更重要的是，这种策略有望扩展到其他种类的玻璃体（如聚亚胺、聚氨酯）和其他纤维织物（如棉织物、人造纤维织物）。这项研究可能会拓宽软执行器在许多领域的潜在应用，包括柔性电子设备、可穿戴传感器等。

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.08.009

来源：高分子科学前沿

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