【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所高分子與復(fù)合材料研究部田興友研究員和張獻(xiàn)研究員團(tuán)隊(duì)受葉脈和葉肉啟發(fā)，利用激光刻蝕在液態(tài)金屬/低膨脹聚酰亞胺(LM@PI)薄膜上加工出超結(jié)構(gòu)，經(jīng)聚二甲基硅氧烷(PDMS)封裝制備了LM@PI/PDMS光熱致動(dòng)器。該策略解決了光熱致動(dòng)器承載性能和響應(yīng)速度不兼容的問題，相關(guān)結(jié)果以“Leaf Vein-Inspired Programmable Superstructure Liquid Metal Photothermal Actuator for Soft Robots”為題發(fā)表在材料類 TOP期刊 Advanced Materials (Adv. Mater. 2025, 2416991)上。
基于不對(duì)稱熱膨脹的光熱致動(dòng)器，其響應(yīng)速度、形變程度和承載性能是一對(duì)矛盾體。輕薄的光熱致動(dòng)器響應(yīng)速度足夠快，形變量足夠大，但是強(qiáng)度小，幾乎不能承重。厚重的光熱致動(dòng)器具有不錯(cuò)的承重性能，但是響應(yīng)速度和形變程度又會(huì)大打折扣。因此，液態(tài)金屬光熱致動(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)光熱材料(碳材料、貴金屬納米顆粒等)不同，LM微球賦予聚合物光熱特性的同時(shí)并不會(huì)提高聚合物的強(qiáng)度。盡管LM優(yōu)勢(shì)眾多，但單純引入LM微球?qū)鉄嶂聞?dòng)器的改善仍然有限。
葉脈，植物輸送營(yíng)養(yǎng)、無機(jī)鹽和水分的微管束，可作為骨架支撐葉片并控制葉片的形態(tài)。而薄葉肉能減輕葉片的質(zhì)量且降低葉片彎曲的阻力?；诖嗽?，設(shè)計(jì)具有葉脈狀結(jié)構(gòu)的LM光熱致動(dòng)器可以提高其承載能力，確保快速響應(yīng)，并賦予其可編程變形功能。
鑒于此，受到植物葉脈啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)使用激光在LM@PI薄膜上有序刻蝕出石墨烯溝槽，并以PDMS封裝制備出了初始形態(tài)和形變均可編程的LM@PI/PDMS光熱致動(dòng)器。類葉脈結(jié)構(gòu)保證了致動(dòng)薄膜響應(yīng)速度，并大幅提升了承載能力?；诖?，研究人員成功設(shè)計(jì)出集爬行、跳躍、游泳、站立于一體的光驅(qū)機(jī)器狗和高速振蕩器等。該研究首次將超結(jié)構(gòu)引入可編程LM光熱致動(dòng)器中，為設(shè)計(jì)和制備LM可編程光熱致動(dòng)器提供了新策略。各種機(jī)器人和智能系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)和展示將推動(dòng)LM光熱致動(dòng)器的研究和實(shí)際應(yīng)用。
固體所田興友研究員和張獻(xiàn)研究員為文章的共同通訊作者，博士生李宵飛為論文第一作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金、江淮前沿技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心追夢(mèng)基金和中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)基金支持。
圖1. 受葉脈啟發(fā)的可編程液態(tài)金屬光熱致動(dòng)器。
圖2. 基于優(yōu)異性能和編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出的集爬行、跳躍、游泳、站立于一體的光驅(qū)機(jī)器狗和高速振蕩器。
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