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哈爾濱工業(yè)大學(xué)Xiaodong He和合肥工業(yè)大學(xué)Ying Hu課題組--一種受昆蟲幼蟲啟發(fā)具有可控跳躍運(yùn)動(dòng)能力的MXene基光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器

自然界中的許多生物都能攜帶物體精確地跳躍，然而，這在人工軟體機(jī)器人中是很難實(shí)現(xiàn)的。該工作通過模擬昆蟲幼蟲跳躍的門閂機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種基于可控跳躍運(yùn)動(dòng)能力的MXene基光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。由大尺寸MXene納米片和聚合物制備的致動(dòng)器具有獨(dú)創(chuàng)的封閉軋制結(jié)構(gòu)，以粘合劑涂層作為門閂，完美地模擬了昆蟲幼蟲跳躍前形成的環(huán)。在光照下，由于門閂引起的光驅(qū)動(dòng)彈性能的儲(chǔ)存和突然釋放，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生跳躍運(yùn)動(dòng)。更重要的是，通過調(diào)節(jié)照射角度局部照射驅(qū)動(dòng)器，可以產(chǎn)生不同方向的彈力，實(shí)現(xiàn)跳高、跳遠(yuǎn)等不同的跳躍動(dòng)作。此外，該驅(qū)動(dòng)器還具有在光照下進(jìn)行跳高的承載能力。

Figure 1. Mxene/PDMS薄膜的設(shè)計(jì)、制備與表征。（a）無腿癭蚊幼蟲跳躍過程示意圖。 (b)光控?zé)o系留軟跳驅(qū)動(dòng)器的跳高及(c)跳遠(yuǎn)示意圖。 (d) 門閂結(jié)構(gòu)MXene/PDMS雙層復(fù)合膜的制備工藝示意圖。 (e)AFM和(f)TEM圖像的MXene納米片。 (g)MXene納米片的XPS光譜。 (h)組裝MXene薄膜的XRD圖譜。插圖是Ti₃AlC₂最大相的XRD圖譜。 (I)封閉軋制Mxene/PDMS薄膜的光學(xué)圖像。 (j)Mxene/PDMS薄膜的截面掃描電鏡圖像。插圖顯示了放大的SEM圖像。

Figure 2. . 門閂MXene/PDMS薄膜的光驅(qū)動(dòng)。 (A) 門閂Mxene/PDMS薄膜的驅(qū)動(dòng)行為示意圖。 (b)非封閉Mxene/PDMS薄膜光驅(qū)動(dòng)的光學(xué)圖像。 (C)研究了非封閉MXene/PDMS薄膜在光照射下的形變角和溫度變化。 (d)不同光強(qiáng)下非閉合Mxene/PDMS薄膜的光驅(qū)動(dòng)。 (E)封閉Mxene/PDMS薄膜的光致動(dòng)光學(xué)圖像。 (F)封閉的MXene/PDMS薄膜在光照射下的形變角的詳細(xì)變化。插圖顯示了在門閂打開期間的放大變形過程。 (G)將MXene/PDMS薄膜的變形速度/時(shí)間與其他已報(bào)道的薄膜驅(qū)動(dòng)器的變形速度/時(shí)間進(jìn)行比較。 (h)不同溫度下MXene薄膜的XRD譜圖。插圖是計(jì)算的MXene在不同溫度下的層間d間距。

Figure 3. .由光驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)的可控跳躍運(yùn)動(dòng)。 (A)MXene/PDMS跳躍驅(qū)動(dòng)器的輕型跳高過程示意圖。 (B)不同時(shí)間下30°光照角下跳高過程的光學(xué)圖像。 (C)跳高過程中跳躍驅(qū)動(dòng)器的受力分析。 (D)在跳高過程中，跳高驅(qū)動(dòng)器的跳高高度和速度隨時(shí)間的變化。 (e)在不同光強(qiáng)的光照射下跳躍驅(qū)動(dòng)器的高跳躍性能。 (f)MXene/PDMS跳躍執(zhí)行器的輕型跳遠(yuǎn)過程示意圖。 (G)在0°角光照下不同時(shí)間的跳遠(yuǎn)過程光學(xué)圖像。 (h)跳遠(yuǎn)過程中跳躍驅(qū)動(dòng)器的受力分析。 (I)在不同光強(qiáng)的光照射下跳躍驅(qū)動(dòng)器的跳遠(yuǎn)性能。 (j)在不同照射角度的連續(xù)光照射下，驅(qū)動(dòng)器質(zhì)心的典型跳躍軌跡。

Figure 4. 與跳躍運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和跳躍性能的比較。 (A)攜帶負(fù)載進(jìn)行高跳的跳躍驅(qū)動(dòng)器的光學(xué)圖像。（b,c）與其它已報(bào)道的軟驅(qū)動(dòng)器的跳躍性能（跳躍高度和跳躍距離）進(jìn)行了比較。這里BH和BL分別代表執(zhí)行器的本體高度和本體長(zhǎng)度。

Figure 5. MXene/PDMS圓驅(qū)動(dòng)器的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。（一）以光為動(dòng)力的滾動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)過程示意圖。 (b)圓形執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)機(jī)構(gòu)。 (C)不同時(shí)刻光誘導(dǎo)軋制過程的光學(xué)圖像。

相關(guān)研究工作由哈爾濱工業(yè)大學(xué)Xiaodong He和合肥工業(yè)大學(xué)Ying Hu課題組于2022年聯(lián)合發(fā)表在《Nano Energy》期刊上，原文：An insect larvae inspired MXene-based jumping actuator with controllable motion powered by light。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)



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