吉林大學(xué)/南開大學(xué)《自然·通訊》：僅重50毫克！仿生“毛毛蟲”與“蝴蝶”機(jī)器人

在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，如何制造兼具小尺寸、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、低能耗和多功能性的仿生驅(qū)動(dòng)器一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)微型機(jī)器人通常需要復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這不僅限制了它們的進(jìn)一步微型化，也影響了機(jī)械魯棒性和能量消耗。受自然界小型生物運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，科學(xué)家們一直在尋找能夠集成驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)功能、同時(shí)支持多種運(yùn)動(dòng)模式的單一材料解決方案。

近日，吉林大學(xué)張?jiān)弃Q教授、南開大學(xué)馬儒軍教授和德國(guó)DESY同步輻射中心Xu Wenhan博士合作，開發(fā)出一種基于弛豫鐵電聚合物納米復(fù)合材料的仿生驅(qū)動(dòng)器。這種僅重約50毫克的單層納米復(fù)合材料通過(guò)引入聚合物點(diǎn)并利用梯度分布結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了14.4%的巨大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和1.92 J cm?3的輸出機(jī)械能密度。基于這一材料，研究團(tuán)隊(duì)成功制造出能夠模仿毛毛蟲爬行和蝴蝶飛行的昆蟲尺寸機(jī)器人，其能耗僅為3-8 mW，比現(xiàn)有同尺寸設(shè)備低一個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)論文以“Biomimetic actuator crafted from a relaxor ferroelectric polymer nanocomposite”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)水熱交聯(lián)法制備了聚合物點(diǎn)，將其與P(VDF-TrFE-CFE)三元聚合物均勻混合，然后采用梯度升溫工藝（60-120°C）制備復(fù)合薄膜。圖1a展示了這一制備過(guò)程，通過(guò)控制溶劑揮發(fā)速率，實(shí)現(xiàn)了全反式構(gòu)象在復(fù)合膜中的梯度分布。聚合物點(diǎn)表面富含氫鍵官能團(tuán)，與聚合物鏈中的氟原子形成氫鍵相互作用（圖1b），顯著增加了全反式構(gòu)象的比例（圖1c）。在42 MV m?1電場(chǎng)下，這種梯度復(fù)合膜能夠直接折疊在一起，而純聚合物膜僅發(fā)生微小變形（圖1d）。通過(guò)優(yōu)化聚合物點(diǎn)含量，研究發(fā)現(xiàn)0.5 wt%摻雜量的復(fù)合膜在100 MV m?1電場(chǎng)下達(dá)到最高應(yīng)變（圖1e）。紅外光譜證實(shí)了聚合物點(diǎn)中酰胺官能團(tuán)的存在（圖1f），而復(fù)合膜中N-H彎曲振動(dòng)峰的位移則證實(shí)了氫鍵的形成（圖1g）。

圖1 梯度分布設(shè)計(jì)和氫鍵增強(qiáng)的全反式構(gòu)象 (a) 三元聚合物/聚合物點(diǎn)和三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G的制備過(guò)程。(b) 三元聚合物與聚合物點(diǎn)之間的相互作用機(jī)制。(c) 全反式構(gòu)象梯度分布復(fù)合膜的截面圖。(d) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G在施加42 MV m?1電場(chǎng)前后的對(duì)比。(e) 不同聚合物點(diǎn)含量的P(VDF-TrFE-CFE)在1 Hz、50和100 MV m?1單極電場(chǎng)下的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。(f) 聚合物點(diǎn)的紅外光譜。(g) 不同聚合物點(diǎn)含量的三元聚合物的紅外光譜。誤差棒對(duì)應(yīng)三次獨(dú)立測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差。

為了深入理解結(jié)構(gòu)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)均勻分布全反式構(gòu)象的薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)表征。X射線衍射顯示，引入聚合物點(diǎn)后復(fù)合材料的(110/200)反射峰向高角度移動(dòng)（圖2a），表明鏈間距離減小。紅外光譜證實(shí)聚合物點(diǎn)的引入增加了全反式構(gòu)象的含量（圖2b）。通過(guò)原子力顯微鏡-紅外光譜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次直觀地觀察到納米復(fù)合材料的極性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖2c），而純聚合物中則缺乏這種極性網(wǎng)絡(luò)（圖2d）。局部紅外光譜進(jìn)一步證實(shí)聚合物點(diǎn)確實(shí)誘導(dǎo)了三元聚合物中全反式構(gòu)象的形成（圖2e和2f）。

圖2 具有均勻分布全反式構(gòu)象的三元聚合物和三元聚合物/聚合物點(diǎn)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)分析 (a) 三元聚合物和三元聚合物/聚合物點(diǎn)納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）的X射線衍射圖。(b) 不同聚合物點(diǎn)含量的三元聚合物的紅外光譜。(c) 三元聚合物/聚合物點(diǎn)納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(d) 三元聚合物中極性相分布的原子力顯微鏡-紅外光譜表征。(e) 三元聚合物/聚合物點(diǎn)納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(f) 三元聚合物中標(biāo)定位置的局部紅外光譜。

梯度分布結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵。圖3a和3b的紅外光譜和掠入射XRD顯示，全反式構(gòu)象集中在復(fù)合膜的下表面。原子力顯微鏡-紅外光譜對(duì)截面的空間化學(xué)分析（圖3c-3f）清晰展示了從底部到頂部全反式構(gòu)象逐漸減少的梯度變化過(guò)程。高分辨透射電鏡進(jìn)一步證實(shí)，復(fù)合膜下層（圖3g-3h）比上層（圖3i-3j）具有更多的全反式構(gòu)象。這種梯度結(jié)構(gòu)使單層聚合物膜能夠像傳統(tǒng)的單壓電晶片器件一樣在電場(chǎng)下產(chǎn)生彎曲變形。在100 MV m?1電場(chǎng)下，梯度復(fù)合膜的厚度應(yīng)變達(dá)到14.4%（1 Hz），比純聚合物膜提高約330-350%（圖3k）。與其他無(wú)機(jī)、有機(jī)和復(fù)合材料相比，該材料表現(xiàn)出最大的驅(qū)動(dòng)性能（圖3l）。復(fù)合材料的電致伸縮系數(shù)和機(jī)電耦合因子均顯著優(yōu)于純聚合物，機(jī)械能密度達(dá)到1.92 J cm?3，接近鐵電陶瓷的水平。

圖3 具有全反式構(gòu)象梯度分布的三元聚合物和三元聚合物/聚合物點(diǎn)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)分析和電致伸縮性能 (a) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）上表面和下表面的紅外光譜。(b) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）上表面和下表面的XRD圖。(c) 三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(d) 三元聚合物-G中極性相分布的原子力顯微鏡-紅外光譜表征。(e) 三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(f) 三元聚合物-G中標(biāo)定位置的局部紅外光譜。三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）的(g)下層和(i)上層的高分辨透射電鏡圖像。(h) g和(j) i中所選區(qū)域的快速傅里葉變換。(k) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物點(diǎn)-G納米復(fù)合材料（cPDs = 0.5 wt%）在1 Hz單極電場(chǎng)下的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。(l) 各種材料在最大應(yīng)變|Smax|方面的機(jī)電性能比較。P(VDF-TrFE-CFE-FA)，其中FA表示氟代炔烴；P(VDF-TrFE-CTFE)，其中CTFE表示三氟氯乙烯；輻照P(VDF-TrFE)；P(VDF-TrFE)/CuPc；PZN-PT；PZT。誤差棒對(duì)應(yīng)三次獨(dú)立測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差。

基于這種梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的優(yōu)異性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了兩種昆蟲尺寸的仿生驅(qū)動(dòng)器（圖4a）。毛毛蟲爬行驅(qū)動(dòng)器采用了頭尾尖銳、腹部略寬的設(shè)計(jì)，在42 MV m?1和2 Hz電場(chǎng)下能以4.5 cm s?1的速度穩(wěn)定爬行（圖4b），單周期能耗僅為9.04×10?? J。蝴蝶飛行驅(qū)動(dòng)器采用流線型頭尾設(shè)計(jì)，電極涂覆在材料中部，在8 Hz和42 MV m?1電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)翅膀拍打，離地高度達(dá)到2-4 mm（圖4c），單周期能耗僅為4.99×10?? J。這兩種驅(qū)動(dòng)器分別重55.4 mg和44.8 mg，有效電極區(qū)域能夠承載自身重量20倍的負(fù)載。與現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器相比（圖4d），本研究開發(fā)的驅(qū)動(dòng)器能耗極低（3.62 mW和7.98 mW），展現(xiàn)了卓越的能量效率和實(shí)用潛力。

圖4 毛毛蟲到蝴蝶仿生系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制 (a) 仿生毛毛蟲驅(qū)動(dòng)器的爬行機(jī)制和仿生蝴蝶驅(qū)動(dòng)器的飛行機(jī)制示意圖。(b) 仿生毛毛蟲驅(qū)動(dòng)器的爬行過(guò)程和(c) 仿生蝴蝶驅(qū)動(dòng)器的起飛過(guò)程的延時(shí)攝影。(d) 本工作中的兩種驅(qū)動(dòng)器與文獻(xiàn)中其他工作的輸入功率比較。上述驅(qū)動(dòng)器的施加電場(chǎng)為42 MV m?1。

這項(xiàng)研究通過(guò)創(chuàng)新的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氫鍵界面工程，成功開發(fā)出一種兼具高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、高機(jī)械能密度和低能耗的單層納米復(fù)合材料。該材料不僅實(shí)現(xiàn)了仿生多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，而且其輕量化、低能耗的特性為昆蟲尺寸機(jī)器人的發(fā)展開辟了新途徑。研究團(tuán)隊(duì)指出，雖然目前仍需要約1.5 kV的高驅(qū)動(dòng)電壓，但未來(lái)通過(guò)制備更薄的薄膜或開發(fā)多層共制造技術(shù)，有望將驅(qū)動(dòng)電壓降低到更實(shí)用的水平，同時(shí)保持低質(zhì)量和低功耗的優(yōu)勢(shì)。這一突破性成果為真正仿生軟體機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。