【摘 要】
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柔性智能材料能在热、光、压力、电或磁场等外界刺激下产生特定的响应,其制备出的柔性驱动器可大幅度改变自身形状和尺寸,产生多自由度变形,实现连续复杂的运动。可用于模仿自然生物的蠕动、游动、爬行等形式运动,因而在仿生技术和柔性机器人等领域展现出极大的应用前景。而现有柔性驱动材料研究中存在驱动刺激源单一、变形模式单调以及制备工艺复杂等挑战,选择合适的柔性智能材料,并结合其特性设计具有多刺激源响应且复杂形变
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“聚合物基石墨烯/二氧化钒纳米复合结构驱动材料及器件研究”(11674354); 合肥工业大学优秀青年培育A计划“多刺激源响应的纳米组装柔性仿生智能材料研究”;
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柔性智能材料能在热、光、压力、电或磁场等外界刺激下产生特定的响应,其制备出的柔性驱动器可大幅度改变自身形状和尺寸,产生多自由度变形,实现连续复杂的运动。可用于模仿自然生物的蠕动、游动、爬行等形式运动,因而在仿生技术和柔性机器人等领域展现出极大的应用前景。而现有柔性驱动材料研究中存在驱动刺激源单一、变形模式单调以及制备工艺复杂等挑战,选择合适的柔性智能材料,并结合其特性设计具有多刺激源响应且复杂形变功能的柔性驱动器,将成为其在仿生技术和柔性机器人领域应用的关键。受松塔鳞片对环境湿度响应的启发,我们以纸、银纳米颗粒(Ag NPs)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)为原材料制备出多功能双层柔性驱动器。纸在高湿度环境下吸附水分子发生膨胀、低湿度环境体积收缩而作为活性层;PDMS热膨胀系数较大,在热刺激下发生体积膨胀也可作为活性层;在纸上印刷Ag NPs作为电-热能量转化中间层。由于层间耦合作用,双层纸基复合材料能够在增加湿度、降低温度情况下向PDMS层弯曲;在减小湿度、升高温度或施加电刺激情况下向纸层侧弯曲。基于双层柔性复合材料,制作了多功能U型驱动器,测试其电致形变、力学输出、电热、温/湿度响应、稳定性等性能。通过调节PDMS厚度和纸的各向异性结构、改善制备工艺等方式增大了U型驱动器的形变。实验发现:当驱动器剪切角为90°时形变角度最大;PDMS与纸层厚度占比在3:1时驱动形变角最大;PDMS聚合物厚度为265um的U型驱动器形变角度可达270°且驱动电压较低(≤4V)。此外,本文通过裁剪与热定向处理材料设计出不同形状的驱动器,并实现了其在不同刺激源下的多自由度可控变形(旋转、伸缩、折叠)。进一步通过在PDMS掺入热致变色微胶囊实现了双层柔性复合材料的电致变色功能。掺入三种不同热致变色微胶囊的驱动器在温度大于35℃时,其颜色分别实现了由褐色到绿色、黑色到白色、深棕色到红色的转变。基于此,设计制备仿生变色蛇和变色画轴。我们设计并制备了新型多刺激源响应的多功能柔性智能材料,并探索其在仿生驱动器件上的应用。该材料实现了在低电压、温度、或湿度变化刺激下的可控大变形,驱动器实现了包括弯曲、伸缩、折叠等多自由度变形以及电致变色功能,展现出这种低成本、易制备、高性能、多响应的柔性驱动材料在柔性机器人、智能穿戴、柔性传感等领域的较好应用前景。
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