Nature石墨烯雙層堆疊膜製成的可變形柔性驅動器與機器人

石墨烯雙層堆疊膜製成的可變形柔性機器人

近日，香港理工大學姚海民課題組和中科院寧波材料所陳濤課題組合作，發現了石墨烯堆疊聚集體(stacked graphene assembly ,簡稱SGA)在拉伸和壓縮時的力學性能並不對稱。他們進而巧妙地利用了該特殊的力學行為，實現了形貌可編輯的無繫繩軟體機器人。相關工作以&34;為題，發表於國際頂尖學術期刊《自然-通訊》。陳濤課題組的王帥博士和姚海民課題組的博士生高陽同學和危安然同學為論文共同第一作者，姚海民教授和陳濤研究員、肖鵬副研究員為論文的共同通訊作者。

在開發可編程的束縛式軟機器人方面，人們的興趣與日俱增，但也面臨著巨大的挑戰。在這裡，我們通過在拉伸和壓縮條件下應用堆疊石墨烯組件（SGA）的不對稱彈塑性來應對這一挑戰。我們將SGA轉移到聚乙烯（PE）膜上，所得的SGA / PE雙層膜響應周圍溫度的變化而呈現出快速的變形行為。通過圖案化SGA和/或局部回火預處理的應用，還可以根據需要對此類熱誘導形變系統的初始配置進行編程，從而形成具有複雜三維結構的多種驅動系統。更重要的是，與普通的雙層執行器不同，我們的SGA / PE雙層在經過嚴格的回火處理後會自髮捲曲成卷，可以在紅外光下實現滾動運動，從而產生不受束縛的光碟機動電機。SGA的非對稱彈塑性賦予基於SGA的雙材料在開發具有高度可配置性的無束縛軟機器人方面具有廣闊的應用前景。

通過自然的啟發，科學家已經開始探索的方法來製造和控制軟機器人，其由柔性材料製成的，並因此可以安全地與活生物體或易碎的物體，橋接機器人和人類之間的間隙相互作用。憑藉其結構的可變形性和多樣化的響應材料，軟機器人可以響應各種外部刺激，形成所需的幾何形狀，承受機械載荷並執行推進和驅動來實現複雜的變形行為。當前的軟機器人技術主要依靠嵌入在彈性橡膠中的氣動網絡，因此，大多數應與外部電源和控制系統捆綁使用。這極大地限制了它們在實踐中的應用。開發可以將外部能量（例如熱能，光能或化學能）轉換為機械能以實現可控的變形驅動的軟智能材料，對於無束縛軟機器人的開發具有重要的價值。

最近，各種各樣的靈活變形系統已通過採取的各種機制的優點，如非對稱熱膨脹開發具有可配置的軟質材料，液晶轉變，相變，和各向異性膨脹等。

為實現形狀的編程和定製，許多努力已經被通過各種聚合材料，包括形狀記憶聚合物（SMP）的應用特定的化學結構由vitrimer，水凝膠，有機凝膠。與多相半結晶結構或寬熔融轉變實現雙向SMPS的應用可逆的和可控的變形行為。可交換債券和光交聯液晶聚合物網絡被用於在空間上組織所述致動單結構域，從而導致可編程形狀設計。用空間和時間可控制的膨脹和收縮溫度響應水凝膠製造成實現期望的3D結構和編程動作。

本研究中，得益於可編程的變形行為，SGA / PE雙層被用於構造各種驅動系統，例如仰臥起坐機器人，人造虹膜，人造睡蓮。更重要的是，與普通的雙層執行器不同，SGA / PE雙層材料可以自髮捲曲成卷，甚至可以在側向紅外（IR）照明下實現滾動運動，從而產生不受束縛的光碟機動電機作為軟機器人。SGA的非對稱彈塑性賦予SGA / PE雙層材料在執行器，電機和無束縛的軟機器人方面具有巨大的應用潛力，並且具有很高的可編程性。

圖1，基於SGA / PE雙層薄膜的可編程熱誘導變形系統的圖示。

a – c示意圖，顯示了SGA / PE膜的約束回火過程。d，e分別顯示了所製備的SGA / PE膜和回火SGA / PE膜的熱誘導形狀變形的示意圖。f解釋了在拉伸和壓縮狀態下SGA的不對稱彈塑性的變形機制的示意圖。g三個具有代表性的形狀變形系統，由SGA / PE雙層製成，具有可編程配置。h SGA / PE雙層輥作為光碟機動輥軋電機。

圖2：SGA / PE雙層膜的製備和表徵。

一個示意圖SGA / PE的雙層與通過LB法膜製造工藝的。石墨烯薄片被噴灑在水面上，並因插入一塊海綿而引起的表面張力變化而凝結。然後，將漂浮在水面上的SGA膜轉移到PE膜上，並在室溫下乾燥，從而形成柔軟的SGA / PE雙層膜。在整個過程中應用的材料成本約為$ 0.0024 cm -2。b SGA / PE雙層膜的光學圖像，其中SGA層在頂側。薄膜在SGA一側顯示為灰色，而在PE一側顯示為黑色（此處未顯示）。c SGA / PE雙層膜的橫截面SEM圖像。頂層是SGA，底層是PE。d SGA膜表面的SEM圖像。e SGA膜的橫截面SEM圖像。f SGA膜和PE膜的拉曼光譜。g PE分別沿著對準方向和橫向的應力-應變曲線。AD對齊方向，TD橫向。ħ一個PE膜示出亮點的2D-XRD圖案，這意味著晶體結構中的PE膜的存在。i響應外部熱刺激，與SGA膜複合時，PE分子的應變誘導排列和彎曲構型的示意圖。採樣框用紅色矩形表示。比例尺：1釐米（b），20微米（c），2μm（d），500 nm（e）。

該研究首先利用Langmuir-Blodgett技術將多層石墨烯片層轉移到了聚乙烯（簡稱PE）膜表面，從而組裝製備了SGA/PE雙層膜結構。由於石墨烯具有遠小於PE的熱膨脹係數，當溫度升高時，由於熱應變錯配，SGA/PE雙層膜就會朝著SGA層的方向迅速發生捲曲，儼然就是一個熱致傳感器或驅動器；更有趣的是，研究人員發現，如果將SGA/PE雙層膜在受限空間下進行先升溫後降溫的&34;預處理後，回到室溫下的SGA/PE雙層膜在解除外部約束後即呈現捲曲形態。但捲曲方向與原來相反（即SGA將PE層包裹在內），且捲曲程度可以由回火溫度控制。捲曲的SGA/PE膜也同樣具有熱致變形的能力。如果再次受熱，則能夠變形恢復到展平的狀態甚至反卷。

圖3. SGA/PE雙層膜的熱致變形行為示意圖。

(a-c) 受限&34;預處理過程； (d, e) SGA/PE在&34;預處理前後的熱致變形行為對比。&34;預處理後，原本平直的SGA/PE驅動器將在室溫下發生捲曲，且捲曲方向與未經&34;預處理的相反。&34;預處理後的SGA/PE，再次升高溫度後能夠變形展平甚至反卷。進一步研究發現，此特殊形變方式是由SGA在拉伸和壓縮時呈現的非對稱力學行為造成的（見圖2a）。

分子動力學模擬顯示，SGA在拉伸時由於內部各石墨烯片層之間不可逆的相對滑動而表現出宏觀的塑性（即形變不可恢復）（見圖2b）。相反，在壓縮時，SGA由於可逆的屈曲褶皺變形表現出宏觀的高彈性（即形變可恢復）。正是由於這一特性，受限條件下的&34;預處理過程使SGA/PE雙層膜的內部產生了殘餘應力，從而使其釋放後發生相反方向的捲曲變形。根據此拉-壓非對稱的彈塑性本構關係，研究人員建立了有限元力學模型，準確地數值再現了SGA/PE的熱致形變行為。

製備好的扁平SGA / PE雙層，加熱後會彎曲並捲曲成卷。這主要歸因於SGA和PE層之間的熱應變不匹配。

圖4，由SGA / PE雙層基本變形單元組裝而成的典型變形系統。

&34;處理後SGA/PE可實現多種複雜形貌。同時，他們還將這些不同形貌的SGA/PE驅動器作為零部件進行組裝，開發出了更加複雜的柔性驅動器，例如仿生含羞草、仿生睡蓮、仰臥起坐機器人等。進一步，研究者還發現，&34;預處理過的SGA/PE捲筒，在水平紅外光的照射下能實現定向及轉向運動，並具備一定的爬坡與越障能力。更複雜的功能，如貨物裝載、運輸、卸載等，均可通過控制紅外光的照射角度實現。

具體研究案例有：

1、基於SGA / PE的變形執行器

得益於SGA / PE雙層的可編程初始配置，SGA / PE膜可用於生成形狀複雜的執行器。由SGA / PE雙層薄膜製成的兩種基本單元，包括彎曲單元和摺疊單元。這些單元可以根據需要進行組裝，以生產更複雜的致動系統。由彎曲的單元組裝了人工睡蓮。花最初在芽中，在暴露於自然陽光（20 mW cm -2）後不到2 s內開花），就像是白天在白天綻放，晚上關閉的天然睡蓮。除了陽光外，人造花還可以對紅外光作出反應，並且在暴露於紅外光下甚至可以更快地開花（<1.5 s）。而且，通過組裝彎曲單元來產生人造虹膜。它可以根據光照自發調整光圈。兩個摺疊單元組裝在一起，形成一個簡單的玩具機器人，以在大約1 s的時間內從躺下狀態到坐起狀態實現可逆的光碟機動動作。另外，回火的SGA / PE雙層在信息存儲，加密和解密中展現出巨大的應用潛力 。

圖5，具有可編程配置的基於SGA / PE的變形系統

一個人造水的組裝單元的示意圖百合通過約束回火。b由彎曲的單元組裝而成的人造睡蓮在日光（20 mW cm -2）下開花。c約束回火的仰臥起坐機器人裝配單元示意圖。d一個由摺疊單元組裝而成的簡單機器人，在紅外線照明下坐起來。

2、基於SGA / PE的無限制電機

更重要的是，與普通的雙層執行器不同，SGA / PE雙層還可以在可控的紅外光照射下實現不受束縛的運動。

圖6，基於SGA / PE卷的滾動電機。

一個橫向的IR光照明可能會導致滾動的SGA / PE卷。b垂直照明會使SGA / PE紙卷展開。c軋制速度隨軋制電動機時間的變化。d SGA / PE紙卷可能會在側面紅外光照射下滾動或不滾動，具體取決於其直徑和匝數。

3、SGA / PE電機可用於將玩具足球推入球門

圖7，用於機械能輸出應用和多輪裝配系統的滾動電機。

一個控制光碟機動馬達（SGA / PE輥）下側的IR光來推動玩具橄欖球為人工足球場。b在受控的紅外燈照明下，通過SGA / PE輥裝載，運輸和卸載貨物。c由兩個SGA / PE輥組裝而成的雙輪電動機，由兩個 雙輪電動機的並行組裝組成的四輪底盤系統以及由並聯組裝的 四輪卡車四個帶有自製框架的捲筒，在側向紅外光照射下顯示出強大的運動能力

此研究工作利用了SGA在拉-壓條件下的非對稱力學性能，實現了軟體機器人形貌的可定製化。這一發現為開發形狀複雜的驅動器開闢了道路。更重要的是，由此方法開發得到的SGA/PE柔性機器人能夠實現光/熱控的無繫繩運動。本工作不僅為無繫繩軟體機器人、可重構系統提供了一種新的實現策略，而且為低維材料在柔性智能材器件上的應用提供了新的思路,是力學作為傳統工程學科助力新工科發展的一次成功實踐。