東華大學熊佳慶課題組《AM》：環境自主感知型全纖維軟體機器人
近日，東華大學熊佳慶課題組提出纖維多級微觀結構設計、纖維取向/厚度比調控以及自發式驅動-感知無縫集成策略，開發出一種光熱協助-溼氣主導的高效驅動自能量感知型非對稱響應高取向全纖維驅動器（HAFM）。HAFM驅動器由呼吸式MOF增強的溼氣響應層（MRL）和MXene強化的光熱響應層（TRL）組成。通過調控連續靜電紡絲過程中的原位氣相溶劑交換效應，設計開發了具有類“葡萄狀”納米球互連組裝的微-納多級結構纖維膜，顯著增強了HAFM驅動器對溼氣和光熱刺激的不對稱驅動變形，展現出穩定的雙向變形彎曲能力（變形曲率7.23 cm−1）和快速的紅外光變形響應速率（0.60 cm−1 s−1），並實現優異機械性能（拉伸應力5.5 MPa，斷裂韌性798 KJ m−3），確保持續可靠的驅動變形；同時，利用功能填料分別優化了驅動器雙側的摩擦電自感知性能。利用纖維取向與厚度比編程設計，作者證實了不同類型微型機械手、行走機器人和植物機器人的響應自主操控，環境信息主動感知和人-機-環境交互等應用。相關研究以“Highly-Aligned All-Fiber Actuator with Asymmetric Photothermal-Humidity Response and Autonomous Perceptivity”爲題發表在《Advanced Materials》上，論文第一作者爲東華大學博士後張雨凡，通訊作者爲熊佳慶研究員。該工作得到國家自然科學基金委（52103254, 52273244）、中國博士後基金（2023M730547）等項目的資助。
圖文解析
圖1. 非對稱響應高取向全纖維致動器的機理、性能和應用
受牽牛花上下葉片細胞間吸水性差異引發其打開-閉合響應行爲的啓發，論文首先通過靜電紡絲精準調控策略製備了具有微-納多級結構的全纖維非對稱雙層HAFM驅動器，通過調控界面處半固化纖維互鎖成型可實現驅動器界面穩定。該全纖維驅動器在力學性能、光熱-溼驅動響應和主動感知能力方面均有優異表現，展示了雙模驅動、自能量傳感、感知型軟體機器人和植物界面機器人等多場景應用（圖1）。
圖2. 非對稱響應高取向全纖維驅動器的一體化成型
驅動器的溼度響應層MRL由具有自呼吸效應的MOF（MIL-88A）嵌入聚環氧乙烷（PEO）納米纖維網絡構成，形成微-納分層多孔結構，通過協同吸溼膨脹-排溼收縮行爲放大溼度響應變形。同時，利用高溼環境紡絲（RH = 60±5%）誘導聚偏氟乙烯（PVDF）/MXene纖維同步相分離，形成類“葡萄狀”納米球互連組裝的多級微-納結構纖維膜（熱響應層TRL），大幅提升纖維層的光-熱轉換能力和變形響應速率（圖2）。高取向纖維層構建的驅動器被證實具有更高的機械強度和韌性，保障了器件的高效穩定驅動變形。
圖3. 非對稱響應高取向全纖維驅動器的響應機理及性能
HAFM驅動器的非對稱變形是由溼氣主導、光熱協助實現的（圖3）。在高溼度下， MRL快速吸溼產生體積膨脹，誘導器件向TRL側變形彎曲。紅外光照下，TRL高效吸熱並傳導至MRL層，加速MRL層水分逸出並誘導其快速收縮，觸發器件快速可逆變形。通過優化纖維多級結構、取向排列、功能填料配比以及雙層膜厚比，可實現在光熱-溼氣刺激下雙側的最佳驅動變形，溼氣驅動曲率達到7.23 cm−1，光熱驅動曲率達到7.21 cm−1，紅外光響應變形速率高達0.60 cm−1 s−1。驅動性能優於當前報道的其他先進膜類驅動器，且在100次連續響應工作後依然保持變形穩定性。
圖4. 非對稱響應高取向全纖維驅動器的可編程設計
基於應力主要沿纖維軸方向傳遞的原理，纖維膜在其取向垂直方向易產生更大變形。因此，對於高度取向纖維膜構成的HAFM，定向剪裁調控纖維取向度可實現其機械性能和彎曲/扭轉變形行爲的可編程設計（圖4）。本文中，僅通過切割角度的改變就可以定量改變纖維的排列取向，使得驅動器在x方向和y方向上產生不同的變形分量，從而精確調控其機械性能表現和彎曲/扭轉變形行爲。例如，利用HAFM纖維取向和厚度比的可編程特性，作者設計開發了多種智能指示器及多種微型機械手，並開發出可具有環境光/溼控制抓取與釋放操控行爲的“風滾草”仿生機器人（圖4j與視頻1），其定製化力學-驅動行爲，顯現出HAFM驅動器在多元場景下的高度適用性。
視頻1：“風滾草”機器人實現環境光/溼響應抓取與釋放
視頻2：“魔毯”機器人實現環境光/溼響應行走與同步感知
此外，作者提出植物機器人概念，即利用柔性電子技術構建“人-機-植物”交互平臺，賦予植物除自我生長以外增強的運動和環境感知能力，實現主動式植物環境操控和信息採集。本文的全纖維薄膜感知型驅動器（HAFM）具有柔軟透氣和生物界面友好性，顯示了植物機器人的重要發展方向之一。作者通過HAFM驅動器賦能植物葉片，展示了高溼度下葉片大幅度向下彎曲，以利於雨水滴落並滲入植物周圍土壤，及光熱環境中葉子向上彎曲，最大化受光面積，以促進其生長。文中展示了植物機器人長期工作穩定性，及可無損移除性。通過摩擦電感知效應，該植物機器人顯示了對環境溼度、光強和昆蟲等刺激的主動監測能力和潛力（圖5）。這種集成了植物界面驅動和環境同步感知功能的技術策略，爲植物機器人提高自主環境適應性和人-機-環境交互能力提供了新的方向，有望爲沙漠、戰場等極端場景下的信息獲取和精準決策提供有效手段。
視頻3：環境光/溼輔助操控葉片開合的植物機器人
總結與展望
通過設計纖維多級微觀結構、調控纖維取向和雙層厚度比，本文開發出一種光熱-溼雙模響應的非對稱高取向纖維膜（HAFM），實現光熱協助-溼氣主導的高性能全纖維驅動器，並展示了HAFM驅動器在軟體機器人自主操作、運動感知和信息識別（如材料特徵、溫溼度、環境接觸刺激等）領域的有趣應用。同時，本文創新性提出了基於自感知纖維膜驅動器的植物機器人，證實了通過人-機-植物界面交互，進行環境響應操縱與自主信息收集的潛能。這項工作可爲先進纖維材料的開發提供策略參考，併爲多功能電子皮膚、交互式軟體機器人和生物界面機器人等領域在驅動-感知一體化發展方面提供啓發。
課題組簡介
熊佳慶，博士，國家級青年人才，東華大學紡織科技創新中心研究員（正高三級），紡織學院和材料學院國家“雙一流”學科雙聘博導。在蘇州大學獲得博士學位，曾任南洋理工大學博士後、高級博士後研究員。目前主要從事軟材料微納智造、智能纖維/織物、穿戴/電子皮膚、柔性力電工程和軟體機器人仿生學領域的研究，累計在Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials等主流學術期刊發表SCI論文70餘篇，論文引用>5100次，H指數34；獲授權國內國際發明專利37項；編寫英文書籍1部（Wiley出版）。主持國家級青年人才項目，國家自然科學基金青年、面上項目等。曾主編Electronics等SCI期刊特刊，擔任Nature Communications, Advanced Materials, Matter等30多個國際學術期刊的特約審稿人。曾受邀參加第六屆金磚國家青年科學家論壇，在MRS, ICMAT, NGPT, NENS, ICEAN等國際學術會議做邀請報告30餘次；近年連續入選斯坦福大學年度世界排名前2%科學家。
張雨凡，東華大學博士後研究員，2021年博士畢業於蘇州大學，主要從事柔性電子纖維、穿戴器件/技術、驅動器和軟體機器人仿生研究，以第一作者/通訊作者在Advanced Materials, Materials Today, Advanced Science, Advanced Materials Technologies, Applied Surface Science等期刊發表SCI論文10餘篇，獲授權中國發明專利4項，主持中國博士後科學基金面上項目、江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目，作爲研究骨幹參與國家自然科學基金面上項目、青年基金項目等，獲中國紡織工業聯合會科學技術獎科技進步二等獎。
課題組主頁：
https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing
--檢測服務--
文章信息：
Y. Zhang, X. Zhou, L. Liu, S. Wang, Y. Zhang, M. Wu, Z. Lu, Z. Ming, J. Tao, J. Xiong*, Highly-Aligned All-Fiber Actuator with Asymmetric Photothermal-Humidity Response and Autonomous Perceptivity. Adv. Mater. 2024, 2404696.
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202404696
來源：高分子科學前沿
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