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哈爾濱工業大學Xiaodong He和合肥工業大學Ying Hu課題組--一種受昆蟲幼蟲啟發具有可控跳躍運動能力的MXene基光響應驅動器

自然界中的許多生物都能攜帶物體精確地跳躍，然而，這在人工軟體機器人中是很難實現的。該工作通過模擬昆蟲幼蟲跳躍的門閂機制，設計了一種基于可控跳躍運動能力的MXene基光響應驅動器。由大尺寸MXene納米片和聚合物制備的致動器具有獨創的封閉軋制結構，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。在光照下，由于門閂引起的光驅動彈性能的儲存和突然釋放，驅動器產生跳躍運動。更重要的是，通過調節照射角度局部照射驅動器，可以產生不同方向的彈力，實現跳高、跳遠等不同的跳躍動作。此外，該驅動器還具有在光照下進行跳高的承載能力。

Figure 1. Mxene/PDMS薄膜的設計、制備與表征。（a）無腿癭蚊幼蟲跳躍過程示意圖。 (b)光控無系留軟跳驅動器的跳高及(c)跳遠示意圖。 (d) 門閂結構MXene/PDMS雙層復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薄膜的光驅動。 (A) 門閂Mxene/PDMS薄膜的驅動行為示意圖。 (b)非封閉Mxene/PDMS薄膜光驅動的光學圖像。 (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)不同光強下非閉合Mxene/PDMS薄膜的光驅動。 (E)封閉Mxene/PDMS薄膜的光致動光學圖像。 (F)封閉的MXene/PDMS薄膜在光照射下的形變角的詳細變化。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/時間與其他已報道的薄膜驅動器的變形速度/時間進行比較。 (h)不同溫度下MXene薄膜的XRD譜圖。插圖是計算的MXene在不同溫度下的層間d間距。

Figure 3. .由光驅動和調節的可控跳躍運動。 (A)MXene/PDMS跳躍驅動器的輕型跳高過程示意圖。 (B)不同時間下30°光照角下跳高過程的光學圖像。 (C)跳高過程中跳躍驅動器的受力分析。 (D)在跳高過程中，跳高驅動器的跳高高度和速度隨時間的變化。 (e)在不同光強的光照射下跳躍驅動器的高跳躍性能。 (f)MXene/PDMS跳躍執行器的輕型跳遠過程示意圖。 (G)在0°角光照下不同時間的跳遠過程光學圖像。 (h)跳遠過程中跳躍驅動器的受力分析。 (I)在不同光強的光照射下跳躍驅動器的跳遠性能。 (j)在不同照射角度的連續光照射下，驅動器質心的典型跳躍軌跡。

Figure 4. 與跳躍運動負荷和跳躍性能的比較。 (A)攜帶負載進行高跳的跳躍驅動器的光學圖像。（b,c）與其它已報道的軟驅動器的跳躍性能（跳躍高度和跳躍距離）進行了比較。這里BH和BL分別代表執行器的本體高度和本體長度。

Figure 5. MXene/PDMS圓驅動器的滾動運動。（一）以光為動力的滾動執行機構的滾動過程示意圖。 (b)圓形執行機構的滾動機構。 (C)不同時刻光誘導軋制過程的光學圖像。

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

轉自《石墨烯研究》公眾號



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