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“工欲善其事，必先利其器”，在很多人类不便直接介入的特殊场合，软体机器人正扮演着越来越重要的角色。然而，软体机器人在与“真手”的“较量”上主要存在两点问题：1. 软体机器人能否像肌肉般强韧？2. 软体机器人能否像“手”那样自带传感功能？最近，西安交通大学机械工程学院李博与陈花玲课题组利用电活性双螺旋人工肌肉和二维光子晶体，成功实现了自带传感功能的柔性人工肌肉。他们设计出的人工肌肉在变形时会通过颜色实时反映其变形和应变量，实现可视化传感功能。同时，该人工肌肉通过100 mA以下的电流即可成功驱动，有望实现“智能高效的新一代软体机器人”。这种人工肌肉的制备非常简单，只需三步即可：1. 纳米压印制备光子晶体；2. 电机卷曲缠绕形成双螺旋人工肌肉；3. 将1,2两步中得到的样品集成，形成典型的ABA结构。图1. a为人工肌肉的自传感机理，图b为人工肌肉的实际驱动和自传感过程研究者采用纳米压印工艺在柔性材料硅橡胶（PDMS，polydimethylsiloxane）上制备出了具有周期性圆柱孔结构的柔性光子晶体，在30%的应变范围内可以实现结构色在可见光范围内的全色域调控。图2. a 柔性光子晶体的制备过程, b为制备的实物, c-e为其微观结构电活性螺旋捻卷型人工肌肉的制备是通过电机将尼龙纤维与银线进行卷曲缠绕实现的，在制备过程中，只需控制电机的旋转圈数即可得到驱动性能优良的人工肌肉。利用夹具将电活性螺旋卷绕型人工肌肉和二维光子晶体连接，即可得到自带传感功能的柔性人造肌肉。当人工肌肉在电信号作用下发生收缩变形时，光子晶体可以通过颜色实时反映人造肌肉的应变量，颜色与应变范围具有对应关系。图4. a 应变与颜色变化之间的关系, b为颜色变化光谱研究者还将该自带传感功能的柔性人造肌肉与普通无传感性能的螺旋卷绕型人工肌肉在应变控制方面的性能进行了对比。结果显示，本研究中制备的人造肌肉具有更好的应变感知和控制能力。图5. a和b为应变传感性能的对比，图cd为驱动器表面温度的对比，图ef为质能密度的对比该研究的意义在于，通过简单的制备过程即可得到自带传感功能的高集成度柔性人工肌肉，对于实现驱动传感一体化的仿生器件具有重要的启示作用。相关结果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，文章的第一作者为西安交通大学在读博士，太原工业学院讲师赵鹏飞，西安交通大学李博副教授和陈花玲教授为文章共同通讯作者。该研究工作得到了自然科学基金共融机器人重大研究计划培育项目及山西省高等学校科技创新项目的资助。李博副教授研究团队专注于柔性光子晶体的设计和器件开发，除上述应变传感功能外，柔性显示也是其重要的功能之一，可以被用来制作柔性显示器、隐身材料、防伪标识等，并具有抗机械疲劳、抗冲击载荷、温湿度不敏感等优点，有望发展新一代仿生共融机器人。论文中关于光子晶体的设计研究得到东华大学葛邓腾教授的指导，关于人工肌肉的机理得到中科院苏州纳米研究所邸江涛研究员的指导，在此作者一并表示感谢。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c01179高分子科学前沿建立了“器件”等交流群，添加小编为好友（微信号：polymer-xiang，请备注：名字-单位-职称-研究方向），邀请入群。
来源：高分子科学前沿
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