伦敦玛丽女王大学陆遥团队SusMat: 零废物排放设计可持续和可编程执行器

近年来柔性电子学、可穿戴技术和智能机器人等领域的迅速发展使得薄膜执行器的研究得到了广泛关注。薄膜执行器可以响应外部刺激并执行相应的动作，在人造器官、传感器、软体机器人、药物输送、能量存储转换器等方面具有广阔的应用前景。然而驱动材料的合成时常会伴随着有害衍生物产生和废物排放。因此，绿色可持续合成高灵敏度刺激响应柔性驱动材料具有重要的研究价值。

近期，伦敦玛丽女王大学陆遥老师课题组基于碳纳米颗粒，海藻酸钠和聚乙烯醇的可循环利用性和水溶性，通过简单水分蒸发方法制备了可以在湿度梯度下不对称膨胀的复合薄膜。此复合膜基执行器对湿度刺激十分灵敏，通过几何形状设计可以实现可控特定的动作，并且该复合膜生命周期中除了水分的蒸发不产生任何废物排放。

受到自然界生物行为的启发，智能软执行器被设计用来模仿这些在外部刺激下自发的和连续的运动。考虑到驱动材料的绿色可持续性和相容性，本文结合碳纳米颗粒和可生物降解聚合物材料，采用简单水分蒸发方法（图1），制备了一种由湿度梯度驱动的智能薄膜执行器。

图1.  复合薄膜制备、湿度驱动机理及表面形貌表征：（A）复合薄膜的制备过程及湿驱行为示意图；（B）湿度响应机理；（C）复合薄膜的SEM照片；（D，E）复合薄膜的AFM照片及对应的高度刨面图。

该复合薄膜展现了很高的湿度敏感性，手指和手掌湿度即可驱动该复合薄膜，使其弯曲或者在手掌中心持续翻转（图2）。进一步探索了复合薄膜在湿度驱动下的弯曲角度，对湿度敏感性进行了量化表征，力学性能测试证明了复合薄膜具有一定的机械强度和柔韧性，此外本文还探索了不同碳含量和聚合物比例对湿度响应的影响（图3）。

 图2.  复合薄膜的湿度驱动行为：（A-C）手掌湿度驱动；（D）手指驱动双向弯曲表现；（E）在手掌连续翻转照片。

图3. 不同复合薄膜的湿度驱动性能和机械性能表征。

基于优异的湿驱能力和可塑性，通过几何形状构建，薄膜执行器可以实现可控的不同的动作， 并展现了在行走器（图4）、柔性挖掘机、软体机械臂（图5）、智能开关和仿生手掌（图6）等方面的应用能力。此外，由于聚合物基体的水溶性，该薄膜执行器可以回收再利用且回收后湿驱性能未发生显著衰减，在执行器的生命周期中实现零废物排放。

图4. 薄膜执行器定向可控行走：（A）尺蠖爬行图；（B）爬行原理图；（C）湿驱单向爬行图；（D）力学模拟图；（E，F）实时首尾位置和位移图。

图5. 薄膜执行器仿生手臂和举重应用

图6. 薄膜执行器远程智能开关，仿生手掌应用和循环利用表现

4. 驱动材料的绿色度分析

为进一步评价驱动材料的绿色可持续性，AGREE 软件被使用来计算驱动材料合成和测试过程中的绿色度。综合绿色化学12原则，本文中薄膜执行器展现较高的绿色度（图7）。

图7. 执行器材料绿色度分析及对比结果

总结展望

本文采用简单的胶体分散和水蒸发方法制备了湿度响应的复合薄膜。该复合薄膜展现了极强的湿度灵敏性。通过合理的几何形状设计，进一步制造了动作可编程的智能执行器，并展现了在行走器、智能开关、软体机械臂和仿生手掌等方面的应用能力，该薄膜执行器具有普遍适用性，可集成性和低成本制造等优点。此外，由于复合膜良好的可回收性，除了水分蒸发外，整个合成过程和执行器的生命周期中零废物排放，采用AGREE软件验证了复合驱动材料优异的绿色度。这种可持续的驱动材料合成方法使其能够以低成本大规模生产和集成执行器。

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 作者简介

陆遥博士，陆遥博士在英国伦敦大学学院化学系获取博士学位，后进入伦敦大学学院机械工程系做博士后，现任伦敦玛丽女王大学化学系讲师。在国际著名期刊发表论文100余篇，包括第一作者在国际顶级期刊Science，以及通讯作者在国际著名期刊ACS Nano，Advanced Science等发表学术论文，曾受邀参加第67届林岛诺贝尔获奖者大会，并在大会中获得Bayer Open Science Start-up大奖。目前担任3个国际学术期刊编辑，及近50个材料化学领域著名期刊特约审稿人，如Advanced Materials, ACS Nano等。课题组主页：https://yaolulab.com/