ACS AMI┃太阳光驱动的连续“扑翼运动”

英文原题：Sunlight-Driven Continuous Flapping-Wing Motion

通讯作者：丁建宁，江苏大学；袁宁一，常州大学

作者：Xu Dong, Jiawei Xu, Xiuzhu Xu, Shengping Dai, Xiaoshuang Zhou, Changhao Ma, Guanggui Cheng, Ningyi Yuan*, Jianning Ding*

柔性致动器可以在外部刺激诱导下产生相应的变形，驱动物体运动，在柔性电子、软体机器人等前沿领域有着广泛的应用前景。其中，光驱动柔性驱动器可以直接将光转换为机械功，由于其无线驱动的优势和易于控制的特点而备受关注。特别是，由太阳光驱动的柔性致动器不需额外的能源供给，便于在自然环境中应用。目前报道的光驱动柔性致动器，通常需要在高强度光源下，通过控制开关实现间隔性光照，从而驱动器件的连续运动。如果能实现太阳光直接驱动柔性致动器持续运动，这将很有意义，但也具有很大的挑战。

近日，江苏大学、常州大学丁建宁教授研究团队，以全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）为基底，在其表面沉积亚微米厚度的金属纳米晶薄膜，构筑了一种能够在太阳光下产生持续大幅度扑动的新型光驱动柔性薄膜致动器。扑动的最高频率为4.49 Hz，超过了真实蝴蝶翅膀的扑翼频率（图1），为太阳光驱动的仿生飞行动物的设计提供了借鉴与参考。

图1. 柔性光致动薄膜致动器光照连续拍打示意图

研究团队在塑料薄膜（厚度10 μm）基底上，通过“两步”磁控溅射沉积金属纳米晶薄膜（厚度200-300 nm）制备复合结构柔性光致动器。光照引起的层间不均匀应变导致的弯曲运动与自阴影导致的薄膜伸展运动交替进行，从而形成了弯曲-伸展的持续扑动。以锡(Sn)-FEP为例，FEP的热膨胀系数远超Sn的热膨胀系数。在太阳光照射下，上层金属膜的温度快速升高，热量迅速传递给柔性基底导致其产生大幅度热膨胀，但基底与金属膜紧密结合侧的形变受到金属膜的约束，而另一侧自由膨胀，使器件在短时间内快速向光源弯曲。当器件弯曲超过180°后，受自阴影的影响，金属膜的受光被遮挡，温度迅速下降，导致器件趋向于恢复到原有伸直状态，但恢复过程中金属膜将重新暴露在阳光下，从而实现器件的持续扑动运动（图2）。

图2. 在100 mW/cm²垂直模拟太阳光下，光照不同时间时Sn-FEP中金属膜的温度变化及其扑动机理的证明。

通过改变金属纳米晶薄膜的晶粒尺寸，可以实现对致动器光驱动性能的控制。针对Sn-FEP体系，随着大晶粒比例的增加，器件的光响应时间变长；扑动频率先增加到2.7 Hz，然后逐渐减小，直至降至零。此外，研究还尝试选择不同的金属材料（铜、钼），甚至是半导体材料（硒化锑），其都体现出相应的光驱动性能。该研究展示出通过选择不同的上层纳米晶材料以及调控薄膜的微观结构，可以获得具备目标光驱动性能的柔性薄膜致动器，为光致动器的制备提供了一种简单、通用、有效的策略。

图3. （a）随着晶粒尺寸变化，Sn-FEP薄膜致动器的光驱动性能对比图；（b）器件不同层间结合力测试照片；（c）剪裁出蝴蝶形状的器件；（d）Cu-FEP、Mo-FEP、Sb₂Se₃-FEP的光驱动对比图。

此外，研究团队测试了持续光照100分钟时间内，柔性致动器的扑动情况变化。结果显示，经过10000次以上扑动后，器件仍保持与初始值相似的幅度和频率，无疲劳和性能下降。最后，研究团队利用该新型致动器的连续扑翼运动，尝试了利用其在太阳光下为轻量化设备提供持续驱动力、太阳光能量收集、以及多种光驱动连续运动电机（图4），并希望将来进一步研究拓展后应用于仿生飞行动物的结构设计中。

图4.光驱动柔性致动器扑动的应用展示。

研究成果发表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上，并被ACS News Service Weekly PressPac、ScienceDaily、Phys.org、Silicon Republic、Scitech Daily、EurekAlert、New Atlas等媒体报道，相应的视频也被上传至Youtube。常州大学博士研究生董旭为论文第一作者，丁建宁教授和袁宁一教授为论文的共同通讯作者。

该项目得到了中国国家重点研发项目、国家自然科学基金和江苏省333高层次人才培养项目的支持。

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Sunlight-Driven Continuous Flapping-Wing Motion

Xu Dong, Jiawei Xu, Xiuzhu Xu, Shengping Dai, Xiaoshuang Zhou, Changhao Ma, Guanggui Cheng, Ningyi Yuan*, Jianning Ding*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 6460-6470, DOI: 10.1021/acsami.9b20250

Publication Date: January 16, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）