納米纖維素基仿生軟體驅動器

雙層軟體驅動器主要利用各層材料在外界刺激條件下的非對稱響應實現驅動功能，具有易加工、材料適應性廣泛等特點，在人造肌肉、柔性機械臂、軟體機器人等領域具有廣闊的應用前景。更快速、更強大、更精確可控的雙層軟體驅動器是廣大科研工作者們一直以來努力追求的目標之一。

Cover Image. Selectively Aligned Cellulose Nanofibers Towards High-Performance Soft Actuators, Extreme Mechanics Letters, 2019, 29, 100463.

受自然界中植物對外界環境刺激的功能性響應行為的啟發（如松果的開合、豆莢的解旋等），近日，馬里蘭大學胡良兵教授團隊和李騰教授團隊與華南理工大學科研團隊合作，利用從木材中提取得到的一維納米纖維素（CNFs）為原料，通過溶劑蒸發誘導自組裝將CNFs沉積在不同基材表面，開發了一系列帶有取向性微結構濕敏響應層的軟體驅動器，比現有雙層軟體驅動器具有更加多樣化的操控性、更快的響應時間（響應時間小於1s/360°）和更強大的響應力（能提起自身重量約1000倍左右的物體）。有限元模型分析顯示，CNFs響應層的取向結構對軟體驅動器的最大彎曲曲率和響應力起著重要的決定作用。相關成果以封面文章的形式發表於期刊Extreme Mechanics Letters上（Selectively Aligned Cellulose Nanofibers Towards High-Performance Soft Actuators, 2019, 29,100463, ）。

圖文速遞

圖1. CNF軟體驅動器的結構和響應機理示意圖。

(a)纖維素材料的分子結構式及其鏈內和鏈間的氫鍵連接示意圖。(b) 簡化示意圖展示水合/脫水過程中CNF間氫鍵的斷開與重建，及由此導致的CNF層的膨脹與收縮。(c) 示意圖展示CNF層膨脹/收縮引起的驅動器的宏觀響應行為。

圖 2. CNFs的溶劑誘導蒸發自組裝過程示意圖及其取向性表徵。

(a) 示意圖展示CNFs液滴在蒸發乾燥過程中的內部環流、取向及凝膠化沉積過程。(b) 添加有少量CNT示蹤劑的CNF自組裝沉積薄膜照片。(c) 頂視圖SEM照片展示CNF自組裝沉積薄膜邊緣處CNFs的取向性排列微結構，插圖展示CNF沉積層在截面方向上具有均勻的厚度分布。(d-g) CNF自組裝薄膜在正交偏光場下的照片。CNF自組裝薄膜在正交偏光場下每旋轉90°可以觀察到交替出現的明場或暗場，表明CNFs在自組裝薄膜中具有良好的排列取向。(h) 圓形CNF液滴沉積薄膜在正交偏光場下隨檢偏器旋轉時的紋影織構變化照片及（i）其示意圖。

圖3. CNF軟體驅動器的響應特性。

(a) CNF軟體驅動器在脫水過程中的捲曲行為及其對應照片和示意圖。(b) CNF軟體驅動器在不同溫度下的響應動力學行為，實心點代表實驗數據，曲線代表准一級動力學擬合曲線，紅虛線代表CNF軟體驅動器旋轉360°所對應的曲率和時間。(c) 照片展示單個6 cm × 1 cm × 45 μm 尺寸的CNF驅動器在40℃下可以抬起9g重量的物品。(d) Ashby plot展示CNF軟體驅動器和其他類型刺激響應驅動器響應時間和響應力的比較。(e-f) 大尺寸（20.5 cm × 1.0 cm × 40 μm）CNF軟體驅動器照片展示。(g) 基於不同基材（從左至右依次是PI、PET、銅箔和鋁箔）製備得到的CNF軟體驅動器照片展示。

圖4. CNF軟體驅動器用作機械臂和軟體機器人的概念驗證展示。

(a) 基於CNF軟體驅動器的柔性機械臂控制示意圖。(b) 柔性機械臂抓取和釋放物品照片展示。(c) 花瓣形CNF沉積薄膜在正交偏光場下的照片。(d) 基於CNF軟體驅動器的仿生花瓣驅動照片展示。

圖5. 有限元模型解釋CNFs取向對驅動器彎曲曲率和響應力的影響。

(a) 各項同性CNF軟體驅動器和 (b) 各向異性CNF軟體驅動器示意圖。(c)脫水過程中，不同體積收縮率下各項異形（上）和各項同性（下）軟體驅動器的捲曲示意圖。(d) 脫水過程中，各項異形（綠色）和各項同性（紅色）軟體驅動器彎曲曲率隨體積收縮率的變化曲線。(e) 脫水過程中，各項異形（綠色）和各項同性（紅色）軟體驅動器響應力和提升比隨體積收縮率的變化曲線。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.eml.2019.100463

（來源：高分子科學前沿）

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