厦大侯旭教授、任磊教授/福大孙浩副教授《ACS Nano》：具有超快响应和可编程运动的液体/蒸汽/光驱动的软多功能致动器

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软致动器可将外部刺激（光、湿度、溶剂、温度、电、pH、磁场）转换为机械运动，在软机器人、人造肌肉、传感器、智能皮肤等应用方面展现出广阔的前景。目前，软致动器系统的开发中已经使用了多种材料，如纱线、凝胶、薄膜、介电弹性体和导电聚合物等，而且通常把材料与碳材料复合，特别是碳纳米管（CNTs）、石墨烯及其衍生物（GO、RGO）来达到出色的稳定性、良好的柔韧性和机械性能。然而这些软致动器仍然存在响应时间相对较长（> 5 s）、小范围运动和单一刺激响应，难以应对多种复杂环境变化的问题。因此，如何实现软致动器在多种外部刺激下的快速响应以及对形变大小的精确控制，特别是在有毒液体或蒸气环境中工作，仍然需要长期的努力。

厦门大学侯旭教授与任磊教授和福州大学孙浩副教授课题组合作研究提出一种基于PDMS/CNTs−PDMS−PVDF三明治结构薄膜的液体/蒸气/光驱动软多功能致动器。该致动器对各种有机溶剂的刺激表现具有出快速而大范围的可逆响应。研究人员通过用主动层（聚二甲基硅氧烷/碳纳米管（PDMS/CNTs）复合薄膜）、连接层（聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜）和被动层（聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜）组成的三明治结构来实现致动器的方向可控性（图1）。由于主动层对有机溶剂的可逆的溶胀-恢复机制，该软致动器对有机溶剂或其蒸气表现出快速响应和大形变（在正己烷刺激下响应时间可达10 ms，比现有文献记载的响应时间缩短一半），具有高效的能量转换和良好的稳定性（图2）。由于力的传导的和溶剂扩散的不同，软致动器可以通过改变溶剂刺激的位置实现运动范围改变（图3）。研究团队通过图案设计，使致动器可以轻松实现复杂和可编程的3D变形，并展示了致动器模拟花朵动态开花和闭合过程，手势变化和毛毛虫爬行行为（图4）。此外，致动器在有机溶剂蒸气和光的刺激下也表现出快速的响应速度（图5）。

图1 溶剂刺激下PDMS/CNTs−PDMS−PVDF三明治结构薄膜的可逆响应行为机制

图2 溶剂刺激下致动器的响应性能

图3 不同刺激位置下软致动器的弯曲行为

图4 图案化设计后致动器模拟花朵的周期性绽放和手势变化

图5 仿毛毛虫的爬行运动和致动器的多响应行为

上述工作为软致动器在多种外部刺激下的快速响应以及对形变大小的精确控制提供了一种新思路。相关研究成果以“Ultrafast Response and Programmable Locomotion of Liquid/Vapor/Light-Driven Soft Multifunctional Actuators”为题近期在线发表于国际学术期刊《ACS Nano》上。文章第一作者是厦门大学助理教授王苗和硕士生周磊，通讯作者为厦门大学侯旭教授、任磊教授，王苗助理教授以及福州大学孙浩副教授。该工作得到国家科技部重点研发项目 (2018YFA0209500)、国家自然科学基金 (21621091, 21975209, 52025132)、厦门大学校长基金(20720190037)的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.1c09477

通讯作者简介：

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侯旭，博士，教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目责人、固体表面物理化学国家重点实验室青委会会长、厦门大学仿生多尺度孔道课题组长、闽江科学传播学者(首批)等。从事仿生智能孔道材料、液体门控技术与仿生纳流离子学研究十余年，出版了两本材料学国际学术著作，并以第一或通讯作者在高水平学术期刊如Nature, Science, Nature Reviews Materials，国家科学评论，Fundamental Research，Science Advances，Nature Communications等上发表论文50余篇。2018年,获得中国化学会青年化学奖，第十三届福建省自然科学优秀学术论文一等奖；2019年,获得中国胶体与界面化学优秀青年学者奖，国际微系统与纳米工程峰会优秀青年科学家等；2020年，获得第二届全国创新争先奖等。课题组主页：

http://xuhougroup.xmu.edu.cn/。

任磊，博士，教授，博士生导师。先后毕业于天津大学（学士，1990）、中国协和医科大学（硕士，1997）和日本冈山大学（博士，2001）。2001至2003年在新加坡国立大学材料系从事博士后研究，2003年起任为厦门大学生物医学工程研究中心副教授、厦门大学生物材料系教授。任磊教授课题组长期从事纳米生物领域的研究，近十年来先后承担和参加了科研项目20多项，包括主持国家自然科学基金项目7项等。2007年入选福建省新世纪优秀人才支持计划。在Advanced Materials、Biomaterials等学术刊物上发表了SCI收录论文100多篇，论文被引用1500多次。

孙浩，博士，副教授，硕士生导师。中国机械工程学会工业自动化分会理事、福建省机械工程学会理事、副秘书长，福建省高层次人才、福州大学先进制造与智能机器人技术课题组长等。长期从事微纳加工、移动机器人技术等研究，以第一或通讯作者在Fundamental Research，ACS Nano，Microsystems & Nanoengineering等高水平学术期刊上发表论文20余篇。

王苗，博士，助理教授，硕士生导师。主要从事碳纳米管基动态纳米通道及其功能应用材料研究，以第一作者或通讯作者发表论文19篇，包括Advanced Materials (正封面)，Journal of American Chemical Society, Nano letters, ACS Nano等。主持国家自然科学基金青年项目，参与国家重点研发计划 “纳米科技” 重点专项，获得江苏省优秀博士论文，金巴斯 “科创之星” 二等奖，“我眼中的纳米” 特色主题大赛二等奖等，担任中国化学快报《Chinese Chemical Letters》第四届青年编委会编委。

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