【人物与科研】吉林大学张永来教授&清华大学孙洪波教授研究团队：等离子体辅助调谐石墨烯氧化物人工肌肉的研究

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导语

驱动器是智能器件的基本组成部分，当外界条件（光、电、温度、湿度、溶剂、磁场等）改变时，人们利用驱动器可以实现材料形状的改变。国内外科研工作者已经对驱动器的设计和制备进行了广泛而深入的研究，然而单一驱动器往往只能实现材料的基本形变（弯曲、折叠、螺旋等）。在仿生机器人以及人工辅助关节运动的器件设计中，人们为了达到肌肉和关节的高度协同作用，实现仿生运动系统的多维度灵活运动功能，往往要进行众多驱动器的集成。这便带来了许多繁琐复杂的问题，如驱动器件的批量制备、各种部件的精确组装以及最终的调试过程。对于微型机器人的制作，人们经常面临着制作成本高、成品率低、应用受限等困难。近日，吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授、新加坡国立大学仇成伟教授合作，巧妙地运用了石墨烯氧化物激光改性过程，调节石墨烯的吸光、导热性能，并掺入金纳米棒材料，利用其独特的波长选择性能，将石墨烯氧化物与金纳米粒子复合材料用于制备可寻址操作的光控人造肌肉（Holistic Artificial Muscle, HAM），最终将其应用于微型仿生蜘蛛、仿生手的设计，实现了连贯协调的光控运动过程。

吉林大学张永来教授课题组简介

该团队现有讲师1人，博士后1人，博士研究生7名，硕士研究生7名，研究方向主要为石墨烯材料的激光调控与新应用、功能微流控芯片的制备与集成、功能仿生表面与仿生器件、智能微机械与纳米机器人。

吉林大学张永来教授简介

张永来，电子科学与工程学院教授。2009年毕业于吉林大学并获无机化学专业博士学位。2010年在吉林大学电子科学与工程学院任职。研究工作聚焦于飞秒激光微纳加工在结构化功能器件制备与集成中的应用。围绕飞秒激光加工中的材料适用性、复杂衬底的影响、与其他工艺兼容性等实际问题展开研究，具体包括石墨烯微电子器件、功能微流控芯片以及激光仿生结构制备。在任职期间，2011年曾留学韩国，在延世大学任研究教授；2011年入选首届“香江学者”计划，被评为“香江学者”，2012-2013年在香港城市大学做博士后研究。2013年获吉林省高校科研春苗人材称号。2015年获国家优秀青年基金资助。近五年来，张永来教授共计发表SCI论文80余篇，SCI他引1500余次，以第一作者、通讯作者身份在Nano Today, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Opt. Mater., Chem. Commun., Lab Chip等重要学术期刊发表SCI论文50余篇，其中影响因子达到10.0以上的论文有10篇。同时，担任Nat. Commun., Adv. Mater., Nanoscale, Langmuir等多个国际杂志的审稿人。

清华大学孙洪波教授简介

孙洪波，清华大学精密仪器系教授。主要研究利用超快激光微纳加工技术制备微光学、微电子、微机械、微流控、微光电、传感、生物和仿生结构与器件，探索其工业与国防前沿应用；利用超快光谱技术研究太阳能电池、有机发光器件和低维量子体系的光电和电光转换动力学。发表SCI论文400余篇，被SCI论文引用近15000次，H因子60；研究结果被Nature, Science和Laser Focus World等杂志专题介绍100余次。孙洪波教授为电气电子工程师（IEEE）学会会士、国际光学工程学会（SPIE）会士、美国光学学会（OSA）会士、中国光学学会（COS）会士；并担任Optics Letters, Light Science & Applications, Nanoscale等十余个国内外杂志编委或顾问编委，任中国光学学会微纳光学专业委员会主任、国务院学位委员会学科评议组成员、自然科学基金重大项目负责人。

前沿科研成果

等离子体辅助调谐

石墨烯氧化物人工肌肉的研究

吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授团队围绕石墨烯智能响应器件开展了一系列开创性的工作。他们利用太阳光、紫外光对石墨烯氧化物薄膜中含氧官能团的有效剪裁，实现可控的光还原梯度，制备了湿度响应驱动器（Adv. Mater. 2015, 27, 332; Adv. Funct. Mater.  2015, 25, 4548），展示了光还原在驱动器设计中的重要作用。随后他们对光制备以及光操控智能响应器件进行了分类总结（Adv. Mater. 2016, 28, 8328; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802235），充分揭示了光在驱动器发展过程中的重要作用。

近期，该研究团队与新加坡国立大学仇成伟教授共同研究探索，利用石墨烯与金纳米棒复合材料，在光驱动仿生机器人方面取得了新进展。众所周知，生物的各种运动离不开关节周围肌肉的收缩及舒展过程。在仿生机器人以及运动辅助仪器的设计中，模仿肌肉的驱动是实现运动的关键。目前，驱动器的研究集中于对驱动方法（如电动、气动、液动）或环境刺激（如光、湿度、磁场）的控制，然而特定的驱动器件往往只能实现单一的材料变形。人们需要集成众多驱动器、配件，并进行精确的安装组建，才能实现复杂的运动，在这一过程中就会面临众多挑战：如制作工艺的复杂性、设计原理的可行性，成本等。于此同时，目前的仿生机器人多采用电驱动方式，需要集成能源部件，或者外接能源供给装置，使得系统的小型化设计受到制约。为了解决这些难题，研究团队利用石墨烯氧化物与金纳米粒子复合材料制备了光敏感的仿肌肉驱动器件（holistic artificial muscle， HAM，如图1），无须集成组装过程便能实现复杂的肢体动作和多足运动。

图1. 等离子体辅助石墨烯氧化物人工肌肉设计原理

（图片来源：Adv. Mater.）

这种快速有效的光控局部弯曲过程的物理机制为：石墨烯材料具有良好的导热性和机械性能，相比之下，石墨烯氧化物材料的原子蜂窝状结构被破坏，其导热性能大大降低。利用激光局部还原石墨烯氧化物的方法，作者对材料导热性能进行局域改性，实现“关节”部位导热性能的改变。石墨烯、石墨烯氧化物材料都具有一定的负热膨胀系数，当其与具有较大热膨胀系数的PMMA材料结合时，可在光热条件下产生单一的圆弧状弯曲。作者利用激光局部还原石墨烯氧化物材料，改性区域的弯曲程度大大提高，响应时间加快，便可实现类似肌肉牵拉作用的关节弯曲效果。作者还在石墨烯氧化物材料中加入了金纳米棒这一重要材料，利用其表面等离子体的作用，提升材料整体的光热转化效率，从而加速促进膨胀材料的形变。此外，金纳米棒材料具有独特的波长选择特性，为光驱动方法提供了除光强、时间外另一维度的调控方法，既波长调控，作者利用该特性可实现不同“关节”部位的选择性弯曲（图2）。

图2. 波长选择性调控

（图片来源：Adv. Mater.）

作者利用这一原理，制作了并展示了微型仿生蜘蛛的爬行过程、仿生捕蝇草捕获过程，和仿生手各关节的逐一控制弯曲过程（图3）。充分体现了HAM设计的灵活性，降低了爬行机器人制作成本，并可实现大规模的制备。这一工作为微型仿生机械运动提供了巧妙的设计理念，从而推动了该领域的进步和发展。

图3. 基于HAM设计的仿生微型机器人

（图片来源：Adv. Mater.）

这一研究成果以 “Plasmonic-Assisted Graphene Oxide Artificial Muscles” 为题发表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.201806386），并被选为封面文章。吉林大学博士研究生韩冰为第一作者， 吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授和新加坡国立大学仇成伟教授共同指导完成。

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