Nano energy: 基于高柔顺变形导电三明治薄膜的仿生水下自感知驱动软系统

【引言】

自然界中的生物由于其良好的适应能力而能够在复杂的自然环境中生存和繁衍，如能够感知危险信号，并据此来调整自身的形态和运动以逃避危险。而赋予生物这种能力最重要的组成部分之一是具有感知和机械变形特征的软组织，它能够可逆地改变其外貌和行为。受到这些软组织和功能的启发，人们致力于开发各种软材料来构建比色传感器/驱动器，电子皮肤和气动/液压驱动伪装系统。弹性体由于其固有的柔韧性、弹性和可拉伸性，能够很好地模拟生物系统和功能，且对环境友好，是一种极具前途的仿生软材料。

目前，已有各种功能部件被集成到弹性体中，赋予它们可设计的形态和功能，以实现对生物体功能的模仿和制备具有类生物体行为的软体机器人。最近，Shepherd等人通过在弹性膜中引入不可拉伸的纺织图案，实现了从二维(2D)平面到三维(3D)形状的可控形状转换。而Gorodetsky等人开发了一种三明治结构的丙烯酸酯弹性体，它与质子导电成分结合，可以通过机械或电驱动动态调节光的传播，有望用于模仿头足类生物的伪装。

虽然目前已经大量研究了具有类皮肤可拉伸变形行为的弹性体驱动系统，但是还缺乏在同一个系统中感知和变形/运动能力的协同作用，这导致驱动器不能像生物体一样根据外界的刺激响应来调节自身的行为。除了陆地环境之外，水下仿生智能行为，尚未在人工集成系统中得到开发。大自然为我们提供了构建水下智能系统的灵感。例如，小丑鱼的鱼鳔作为一个共振器可以实现对周围环境的感知，并通过进一步的信号反馈来指导鱼鳔可逆的膨胀和收缩行为，以控制在水中的垂直运动。这种水下感知、运动行为和进一步反馈信息的能力，有助于丰富和开发软驱动系统的应用范围。

【研究简介】

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员课题组在Nano Energy上发表了一篇题目为“Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films”的文章。报道了一种具有良好柔性和弹性的水下驱动、传感复合膜。该复合薄膜是由可拉伸的弹性PDMS基体和导电CNTs网络薄膜组成的三明治结构（PCP），这种CNTs网络薄膜具有类似皮肤神经网络的感知功能。由于复合薄膜良好的弹性、自适性和保形性，它可以进一步转移至一个中空的模型上形成自封闭的自支撑体系。外界气压的变化时，会引起复合膜发生膨胀或者凹陷变形。根据压阻传感机理，复合薄膜的这种形变会引起碳纳米管导电网络间接触电阻的变化，从而实现对变形行为的实时监测。当将整个系统置于水中时，可以用膜的膨胀和凹陷行为去模仿鱼鳔的充气/放气行为，通过调节外界气压可以实现对整个系统在水中的上下运动行为的精确控制，同时其运动过程也可以通过电信号实时监测。此外，该复合膜还能模仿鱼鳔的感知功能，实现对外界信号的监测感知并根据感知信号执行气动驱动行为。因此，该研究成功地将传感和驱动功能集成到一个三明治复合膜中，实现协同仿生行为，在智能集成软机器人方面展示出巨大的潜力。

【图文简介】

图1

（a）小丑鱼由鱼鳔充气/放气行为引起的上浮/下潜运动示意图；

（b）真实鱼鳔经冷冻干燥后的SEM图像；

（c-d）在空气/水界面制备超薄PDMS和CNTs/PDMS Janus膜的示意图，以及将二者集成为一个三明治自感知弹性复合膜（PCP）的制作过程示意图；

（e）PCP膜的结构示意图；

（f）驱动变形和传感的协同作用示意图；

（g-h）CNT /PDMS Janus膜在分别水侧和空气侧的扫描电镜图；

（i-j）PCP膜的截面扫描电镜图(i)和二维拉曼图(j)。

图2

（a）表现出良好变形行为的纯PDMS超薄膜；

（b）用超薄PDMS膜模仿鱼鳔的充气/放气行为。当在外界气压控制下，由膜的膨胀和凹陷引起模型的上浮/下潜过程；

（c）具有良好的保形性和自支撑性能的CNTs/PDMS超薄Janus膜；

（d）纯PDMS和CNTs/PDMS Janus膜两侧的拉曼光谱；

（e）PDMS/CNTs Janus薄膜横截面的二维拉曼光谱。

图3

（a）CNTs/PDMS Janus薄膜的传感性能；

（b）在不同气压下CNTs/PDMS Janus薄膜的ΔR/R₀变化曲线（空气中）；

（c）用CNTs/PDMS Janus薄膜来模仿人工鱼鳔以感知水下深度的示意图；

（d）在不同深度的水压下CNTs/PDMS Janus薄膜的ΔR/R₀曲线；

（e）Janus薄膜传感器分别在空气和水中检测手指弯曲和释放过程中的电阻变化；

（f）Janus薄膜的水下电信号稳定性。

图4

（a）PCP薄膜的照片，插图: PCP薄膜的微观结构示意图；

（b）PCP复合膜在膨胀状态下的照片；

（c）Janus膜和PCP膜在加水后的电信号稳定性；

（d）PCP薄膜在水下的电信号稳定性；

（e）PCP薄膜的传感性能；

（f）PCP薄膜在0 ~ 20%应变下以不同频率(0.02 ~ 1Hz)拉伸时相对电阻的变化；

（g-h）当PCP复合膜转移至手指上时，分别在空气和水中检测手指的弯曲行为；

（i）PCP薄膜传感器与文献中三明治结构传感器的灵敏度(GF)、拉伸性和厚度的对比。

图5

（a）当PCP复合膜的直径为36mm时，PCP膜在不同环境压力下的变形性能；

（b）在相应条件下PCP膜的变形性能的有限元模拟结果；

（c）PCP膜的变形的圆心角与不同环境压力的关系；

（d）用有限元仿真模拟了PCP复合膜在不同直径(10、20、28、36和50 mm)下在20 kPa时的变形；

（e）PCP复合膜变形圆心角与ΔR/R₀的关系；

（f）驱动器在不同外界压力下的下潜速度和上浮速度(以位移和时间表示)；

（g）通过控制环境压力来控制驱动器的悬浮能力；

（h）利用驱动器的下潜和上浮运动来切割磁感应线以产生感应电压和电流；

（i）驱动器在17.3 kPa气压循环运动下，切割线圈过程所产生的感应电势。

图6

（a）人工鱼鳔以非接触的方式感知周围环境的示意图；

（b）分别将人工鱼鳔放置于水下10厘米和空气中时，当不同质量的小球从20cm的高度落下时ΔR/R₀的变化；

（c）分别将人工鱼鳔放置于水下10厘米和空气中时，当质量为8.4 g的小球从不同高度落下时ΔR/R0的变化；

（d-j）人工鱼鳔对人的跺脚（d）(d)、原地踏步（e）、拍篮球（f）、用尺子敲击容器壁（g）、向液面吹气（h）和用直尺搅拌水面（i）时的感知。

图7

（a）人工鱼鳔气动驱动器的示意图；

（b）人工鱼鳔驱动器在下潜/上浮过程中的照片。箭头的方向表示运动的方向；

（c）用人工鱼鳔去模仿鱼的感知及运动行为，当人工鱼鳔感受到外界的危险信号时，可以据此去引导和追踪其进一步的运动；

（d）人工鱼鳔驱动器感知的水下位置；

（e）人工鱼鳔驱动器在重复下潜/上浮过程中的实时信号记录。

【小结】

总之，研究者通过在两层超薄聚二甲基硅氧烷(PDMS)之间引入一层碳纳米管(CNTs)网络制备了具有类人体皮肤的神经网络结构的复合膜。由于复合膜良好的弹性和可拉伸性，可将其作为一种具有自感知功能的气动软驱动器。通过调节外界压力，弹性超薄PDMS薄膜可以发生类似于鱼鳔充气/放气式的膨胀和凹陷变形，当将其置于水中时，可以精确地控制驱动器的垂直运动。此外，由于具有类似神经网络结构的CNTs层，驱动器可以实时跟踪运动过程并感知周围环境，且可以根据感知到的外界信号反馈来进一步的指导驱动器的运动。这项工作为具有水下协同运动和传感行为的智能软驱动系统的设计提供了新的见解。

文献链接：Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films, 2020, nano energy, doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105617