合肥物质院田兴友、张献AM：叶脉仿生—突破光热致动器性能瓶颈的跨学科创新

在柔性机器人领域，光热致动器因其光控精准、结构简单等优势备受关注。然而传统非对称热膨胀光热致动器长期面临“响应速度-承载性能”的矛盾：轻质的光热致动器，如13 μm聚酰亚胺致动器，虽可实现300°/s高速响应，但难以承载导线等基础元件。厚重的光热致动器，如150 μm WSe2@PDMS致动器，虽能提升负载性能（4倍自重），却响应速度骤降至18°/s。

这一矛盾严重制约了光热致动器在复杂场景中的应用。合肥物质科学研究院团队田兴友研究员和张献研究员团队另辟蹊径，从植物叶片中汲取灵感，开创性地将叶脉-叶肉超结构引入液态金属（LM）光热致动器设计，成功打破性能桎梏。

图1 (a1, a3) 玉米叶和芭蕉叶卷曲的示意图和照片；(a2) 叶脉示意图；(b) 叶脉启发的可编程LM@PI/PDMS光热致动器的制备示意图；(c) A形态和B形态的LM@PI/PDMS光热致动器的变形。

植物叶片通过叶脉与叶肉组织的精妙配合实现高效光捕获与形态调控：叶脉作为力学骨架提供支撑，同时作为变形轴线控制卷曲方向（如玉米叶纵向卷曲，棕榈叶横向卷曲）。叶肉作为柔软组织降低弯曲阻力，快速响应环境刺激。

受此启发，利用激光刻蚀在LM@PI薄膜上加工出有序分布的石墨凹槽，凹槽处的LM@PI薄膜厚度降低，如同叶肉，易于弯曲变形。未刻蚀处的LM@PI薄膜保持原本厚度，如同叶脉，负责承载。此外，为了进一步提高光热致动器的性能，该团队设计了热膨胀系数仅为4.52 ppm/K的低膨胀、高模量PI，并选择热膨胀系数为270 ppm/K的PDMS作为主动层。主动层和被动层巨大的力学性能差异、仿生叶脉结构和PI的高模量共同赋予了LM@PI/PDMS光热致动器优异的综合性能：自身重量190倍的承载性能、159.05 ± 2.52°的弯曲角度、60.96 ± 3.08°/s和20800次弯曲循环。

图2 (a) LM@PI/PDMS光热致动器可编程的形态；(b1-b3) 竖直状、螺旋状和弯曲状LM@PI/PDMS-4%光热致动器的形变；(c) LM@PI/PDMS光热致动器在不同强度激光下的弯曲角度；LM@PI/PDMS-4%光热致动器的 (d) 弯曲速度、(e) 承载性能、(f) 稳定性；(g) LM@PI/PDMS-4%光热致动器与其他光热致动器的性能对比

凭借LM@PI/PDMS光热致动器的优异性能，该团队利用LM@PI/PDMS光热致动器设计了集爬行、跳跃、站立和游泳于一体的光热驱动机器狗，并验证了机器狗通过沙漠环境的能力。此外，由于LM@PI薄膜的高模量和PDMS的弹性，LM@PI/PDMS光热致动器也可通过自遮蔽效应实现高速振动，振动频率高达19.13 ± 1.09 Hz，并且以此作为肌肉可带动蝴蝶翅膀高速振动（12.84 ± 0.32 Hz）。

图3 (a) LM@PI/PDMS光驱机器狗示意图；(b, c) 光驱机器狗的爬行速度；(d) 光驱机器狗与文献中机器人性能对比；(e) 光驱机器狗在沙漠环境下爬行；(f) 光驱机器狗在激光控制下站立和卧倒；(g-i)LM@PI/PDMS光热振荡器的示意图和性能表征

总的来说，这项研究首次将超结构引入于可编程LM光热致动器，为LM可编程光热致动器的设计和构建提供了新的策略。各种机器人和智能系统的成功开发将推动LM光热致动器的研究和实际应用。

来源：高分子科学前沿

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