惊！沈阳自动化所成功研制GO/LDPE致动器，颠覆智能仿生学等领域

成果简介

基于智能材料的软致动器可以利用外界刺激，特别是自然界中的光、湿等清洁能源，实现可控的驱动和感知，这在智能机器人的发展中备受关注。然而，大多数现有的基于光或湿度刺激的软致动器可能存在一些缺点，例如响应灵敏度低、响应模式单一、无法实现多刺激协同响应。因此，本文，中国科学院沈阳自动化研究所张闯副研究员团队在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Graphene oxide and low-density polyethylene based highly sensitive biomimetic soft actuators powered by multiple clean energies of humidity and light”的论文，研究受植物生物结构的启发，通过将氧化石墨烯（GO）溶液浇注在低密度聚乙烯（LDPE）薄膜上，制造了具有超高灵敏度的柔软双层致动器。

仅 40 mW cm−2近红外光，致动器可以快速从卷曲状态变为平坦状态，实现500°的角度变化，小于自然光强度（80 mW cm−2).此外，在湿度刺激下，执行器还表现出快速响应（∼2.6 s）和大变形（500°）。作为应用概念演示，执行器可以组装成模仿尺蠖在树叶上爬行的爬行机器人、抓取不同形状货物的自适应软抓手以及驱动船只前进的旋转机器人。软致动器未来在智能仿生学、能量转换等新兴领域将具有巨大潜力。

图文导读

图1、（a） 受生物结构启发的GO/LDPE致动器能够利用光和湿度实现弯曲运动。（b） GO/LDPE执行器的应用：尺蠖式爬行机器人、鹰爪式自适应软抓手和旋转机器人。

图2、（a） GO/LDPE致动器的横截面SEM图像。（b） GO横截面的层状结构SEM图像。（c） GO层的表面SEM图像。（d） GO的FTIR光谱。（e） 低密度聚乙烯的傅里叶变换红外光谱。（f） LDPE的应力-应变曲线。（g） 加工前后LDPE薄膜的接触角。（h） GO层对高湿度和近红外光的响应示意图。（i） 不同GO含量的致动器的厚度和杨氏模量。

图3、GO/LDPE致动器的近红外驱动性能。

图4、GO/LDPE致动器的湿度驱动性能

图5、GO/LDPE致动器的应用

图6、 基于GO/LDPE致动器的旋转机器人

小结

综上所述，我们使用简单的溶液蒸发方法制备了一系列GO / LDPE执行器。通过对LDPE薄膜的等离子处理增强了GO层与LDPE层之间的结合力，提高了GO/LDPE促动器的机械稳定性。执行器的初始状态可以通过控制加热温度和时间来调节，以适应不同的应用场景。此外，GO和LDPE作为不同类型的敏感单元的应用，分别赋予了执行器强烈的湿度响应和光热响应特性。制备的薄膜致动器对湿度和近红外光非常敏感。为了展示执行器的出色性能，我们组装了一个尺蠖爬行机器人和一个自适应软夹持器。

尺蠖爬行机器人可以模仿尺蠖在近红外光刺激下在树叶上爬行;自适应软夹持器可以在湿度和近红外光的多重刺激下抓取、移动和释放不同形状的物体，包括颗粒、花朵和胶囊。此外，为了证明执行器在湿度刺激和光热刺激方面的协同响应优势，制作了一种智能旋转机器人。它可以在湿度和红外光的协同刺激下实现快速旋转，驱动船移动。这项工作不仅为新兴智能响应执行器的设计和开发提供了有价值的指导，而且为人造肌肉、软机器人、能量转换装置、仿生机器人等领域的潜在应用提供了有价值的指导。

文献：

• DOI
• https://doi.org/10.1039/D3TA01690K