自然界中的生物由于其良好的適應(yīng)能力而能夠在復(fù)雜的自然環(huán)境中生存和繁衍，如能夠感知危險(xiǎn)信號(hào)，并據(jù)此來調(diào)整自身的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)以逃避危險(xiǎn)。而賦予生物這種能力最重要的組成部分之一是具有感知和機(jī)械變形特征的軟組織，它能夠可逆地改變其外貌和行為。受到這些軟組織和功能的啟發(fā)，人們致力于開發(fā)各種軟材料來構(gòu)建比色傳感器/驅(qū)動(dòng)器、電子皮膚和氣動(dòng)/液壓驅(qū)動(dòng)偽裝系統(tǒng)等。彈性體由于其固有的柔韌性、彈性和可拉伸性，能夠很好地模擬生物系統(tǒng)和功能，且對(duì)環(huán)境友好，是一種極具前途的仿生軟材料。雖然目前已經(jīng)大量研究了具有類皮膚可拉伸變形行為的彈性體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是還缺乏在同一個(gè)系統(tǒng)中感知和變形/運(yùn)動(dòng)能力的協(xié)同作用，這導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器不能像生物體一樣根據(jù)外界的刺激響應(yīng)來調(diào)節(jié)自身的行為。

基于中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員課題組在柔性傳感器和軟驅(qū)動(dòng)器方面的研究基礎(chǔ)(Adv. Mater., 2020, 2004290; Nat. Commun., 2020, 11, 4359; Angew. Chem. Int.Ed., 2019, 58,16243; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666等)。近期，受到小丑魚魚鰾同時(shí)具有感知和變形驅(qū)動(dòng)功能的啟發(fā)，開發(fā)了一種水下自感知的軟驅(qū)動(dòng)器。

圖1(a)小丑魚由魚鰾充氣/放氣行為引起的上浮/下潛運(yùn)動(dòng)示意圖;(b)真實(shí)魚鰾經(jīng)冷凍干燥后的SEM圖像;(c-d)在空氣/水界面制備超薄PDMS和CNTs/PDMS Janus膜的示意圖，以及將二者集成為一個(gè)三明治自感知彈性復(fù)合膜(PCP)的制作過程示意圖;(e)PCP膜的結(jié)構(gòu)示意圖;(f)驅(qū)動(dòng)變形和傳感的協(xié)同作用示意圖;(g-h)CNT /PDMS Janus膜在分別水側(cè)和空氣側(cè)的掃描電鏡圖;(i-j)PCP膜的截面掃描電鏡圖(i)和二維拉曼圖(j)

該工作通過在水/空界面制備超薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和PDMS/碳納米管(CNTs) Janus膜，由于其良好的自適性和粘性，通過將上述薄膜無(wú)縫轉(zhuǎn)移集成為一個(gè)三明治復(fù)合膜，以模仿魚鰾膜。以可拉伸的彈性PDMS基體模仿魚鰾的充氣/放氣變形行為，而用導(dǎo)電CNTs網(wǎng)絡(luò)薄膜模仿魚鰾具有類似皮膚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感知功能。由于復(fù)合薄膜良好的彈性、自適性和保形性，它可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至一個(gè)中空的模型上形成自封閉的人工魚鰾。外界氣壓的變化時(shí)，會(huì)引起復(fù)合膜發(fā)生膨脹或者凹陷變形。根據(jù)壓阻傳感機(jī)理，復(fù)合薄膜的這種形變會(huì)引起碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)間接觸電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變形行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)將整個(gè)系統(tǒng)置于水中時(shí)，可以用膜的膨脹和凹陷行為模仿魚鰾的充氣/放氣行為，通過調(diào)節(jié)外界氣壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在水中的上下運(yùn)動(dòng)行為的精確控制，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)過程也可以通過電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的監(jiān)測(cè)感知并根據(jù)感知信號(hào)執(zhí)行氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)行為。因此，該研究成功地將傳感和驅(qū)動(dòng)功能集成到一個(gè)三明治復(fù)合膜中，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同仿生行為，在智能集成軟機(jī)器人方面展示出巨大的潛力。

圖2(a)人工魚鰾氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的示意圖;(b)人工魚鰾驅(qū)動(dòng)器在下潛/上浮過程中的照片，箭頭的方向表示運(yùn)動(dòng)的方向;(c)用人工魚鰾去模仿魚的感知及運(yùn)動(dòng)行為，當(dāng)人工魚鰾感受到外界的危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，可以據(jù)此去引導(dǎo)和追蹤其進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng);(d)人工魚鰾驅(qū)動(dòng)器感知的水下位置;(e)人工魚鰾驅(qū)動(dòng)器在重復(fù)下潛/上浮過程中的實(shí)時(shí)信號(hào)記錄

該工作以題為“Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films”的論文發(fā)表在Nano Energy, 2020, DOI.org/10.1016/j.nanoen.2020.105617。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52073295，51803226)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDB-SSWSLH036)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局(174433KYSB20170061)、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(BX20180321)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2018M630695)和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)(2018B10057)等項(xiàng)目的資助。