哈尔滨工业大学Xiaodong He和合肥工业大学--一种受昆虫幼虫启发具有可控跳跃运动能力的MXene基光响应驱动器

自然界中的许多生物都能携带物体精确地跳跃，然而，这在人工软体机器人中是很难实现的。 该工作通过模拟昆虫幼虫跳跃的门闩机制，设计了一种基于可控跳跃运动能力的MXene基光响应驱动器。 由大尺寸MXene纳米片和聚合物制备的致动器具有独创的封闭轧制结构，以粘合剂涂层作为门闩，完美地模拟了昆虫幼虫跳跃前形成的环。 在光照下，由于门闩引起的光驱动弹性能的储存和突然释放，驱动器产生跳跃运动。 更重要的是， 通过调节照射角度局部照射驱动器，可以产生不同方向的弹力，实现跳高、跳远等不同的跳跃动作。 此外，该驱动器还具有在光照下进行跳高的承载能力。

Figure 1. Mxene/PDMS薄膜的设计、制备与表征。 （a）无腿瘿蚊幼虫跳跃过程示意图。 (b)光控无系留软跳驱动器的跳高及(c)跳远示意图。 (d) 门闩结构MXene/PDMS双层复合膜的制备工艺示意图。 (e)AFM和(f)TEM图像的MXene纳米片。 (g)MXene纳米片的XPS光谱。 (h)组装MXene薄膜的XRD图谱。 插图是Ti₃AlC₂最大相的XRD图谱。 (I)封闭轧制Mxene/PDMS薄膜的光学图像。 (j)Mxene/PDMS薄膜的截面扫描电镜图像。 插图显示了放大的SEM图像。

Figure 2. . 门闩MXene/PDMS薄膜的光驱动。 (A) 门闩Mxene/PDMS薄膜的驱动行为示意图。 (b)非封闭Mxene/PDMS薄膜光驱动的光学图像。 (C)研究了非封闭MXene/PDMS薄膜在光照射下的形变角和温度变化。 (d)不同光强下非闭合Mxene/PDMS薄膜的光驱动。 (E)封闭Mxene/PDMS薄膜的光致动光学图像。 (F)封闭的MXene/PDMS薄膜在光照射下的形变角的详细变化。 插图显示了在门闩打开期间的放大变形过程。 (G)将MXene/PDMS薄膜的变形速度/时间与其他已报道的薄膜驱动器的变形速度/时间进行比较。 (h)不同温度下MXene薄膜的XRD谱图。 插图是计算的MXene在不同温度下的层间d间距。

  

Figure 3. .由光驱动和调节的可控跳跃运动。 (A)MXene/PDMS跳跃驱动器的轻型跳高过程示意图。 (B)不同时间下30°光照角下跳高过程的光学图像。 (C)跳高过程中跳跃驱动器的受力分析。 (D)在跳高过程中，跳高驱动器的跳高高度和速度随时间的变化。 (e)在不同光强的光照射下跳跃驱动器的高跳跃性能。 (f)MXene/PDMS跳跃执行器的轻型跳远过程示意图。 (G)在0°角光照下不同时间的跳远过程光学图像。 (h)跳远过程中跳跃驱动器的受力分析。 (I)在不同光强的光照射下跳跃驱动器的跳远性能。 (j)在不同照射角度的连续光照射下，驱动器质心的典型跳跃轨迹。

 

Figure 4. 与跳跃运动负荷和跳跃性能的比较。 (A)携带负载进行高跳的跳跃驱动器的光学图像。 （b,c）与其它已报道的软驱动器的跳跃性能（跳跃高度和跳跃距离）进行了比较。 这里BH和BL分别代表执行器的本体高度和本体长度。

Figure 5. MXene/PDMS圆驱动器的滚动运动。 （一）以光为动力的滚动执行机构的滚动过程示意图。 (b)圆形执行机构的滚动机构。 (C)不同时刻光诱导轧制过程的光学图像。

相关研究工作由哈尔滨工业大学Xiaodong He和合肥工业大学Ying Hu课题组于2022年联合发表在《Nano Energy》期刊上，原文：An insect larvae inspired MXene-based jumping actuator with controllable motion powered by light。