王中林院士/吴治峄研究员团队 Nano Energy：基于光热效应和摩擦纳米发电机的接触反馈仿生驱动器

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薄膜驱动器能够实现如行走、爬行、跳跃等复杂的运动形式，并且具有柔性高、形状可塑强和刺激响应块等一系列优点，因此在智能仿生设备、传感器和软机器人领域引起了广泛关注。近年来，许多研究工作致力于构造结构简单、响应快、驱动大、运动复杂的薄膜驱动器来模拟生物运动。然而，薄膜驱动器对环境的适应性、运动信息反馈和环境信息反馈等方面缺乏系统性的讨论与研究。摩擦纳米发电机(TENG)能够基于摩擦电效应和静电感应实现机械能到电能的转换，在自供电传感器和微纳能源等领域广泛应用。通过将薄膜驱动器与TENG相结合，有望实现薄膜式的光/热致动-信息探测-电信号反馈的一体化器件。

本文利用PET、炭黑油墨和PDMS材料设计了一种三明治结构的薄膜驱动器，通过引入了摩擦纳米发电机，实现了对运动信息的反馈和环境的反馈。该薄膜驱动器在80 ℃的热环境下可产生约840°弯曲形变。器件在经历高湿度，高温度，化学试剂等环境后保持性能的稳定，在不使用形状记忆材料的情况下，表现出良好的可塑性和形状记忆性。该薄膜器件与环境物体发生接触时，可作为单电极工作模式的TENG产生峰值5 V的电信号反馈；当自身运动时能够产生峰值为3.7 V的实时反馈；在此基础上，设计了一种具有反馈机制的机械夹持器，能够利用光/热工作，实现对轻重量物体的抓取和操纵，并产生峰值4.5 V的实时反馈。通过薄膜驱动器和TENG的结合，验证了一种能够以光/热为能源，可实现机械运动和电信号反馈一体化的智能薄膜器件。该成果以“Bio-inspired soft actuator with contact feedback based on photothermal effect and triboelectric nanogenerator”为题发表在Nano Energy上。文章的第一作者是广西大学的硕士研究生金旭。该研究得到了国家自然科学基金委的支持。

图1 薄膜驱动器的机械性能，（a）80℃固化的薄膜驱动器的弯曲形变照片，（b）150℃固化的薄膜驱动器的弯曲形变照片，（c）薄膜驱动器的形状记忆效果展示照片 
图2 薄膜驱动器的接触反馈性能，（a）仿生蛙舌驱动器的示意图与照片，（b）薄膜驱动器电信号产生的过程示意图，（c）薄膜驱动器发电过程的COMSOL仿真结果，（d）薄膜驱动器与不同材料接触过程中的开路电压信号曲线，（e）与PTFE接触时的开路电压曲线，（f）薄膜驱动器在水平面上运动的照片与（g）电反馈波形，（h）薄膜驱动器抓取物体的照片与（i）实时反馈波形。

通过结合薄膜驱动器和TENG，设计了一种能够利用光/热驱动的自反馈的智能薄膜，实现良好的环境稳定性与机械记忆性。该薄膜驱动器可作为机械运动、信息探测和电信号反馈一体化的智能器件，在之后的工作中，可以将该器件与智能传输模块相结合，实现光/热能源采集、环境信息收集和信息无线传输一体化的器件，为薄膜驱动器的应用提供了一种创新和可行的方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107366

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