Adv. Intell. Syst.：基于VO2纳米线阵列（NA）/CNT双晶结构的多响应软体机器人

二氧化钒作为新兴驱动材料，在微型驱动器件中已经展现了极为优异的性能，如高振幅、高相应频率和高功密度。此外，二氧化钒的驱动能力基于其热致相变下的轴向应变（~1%，沿M1相的a轴），因此二氧化钒基驱动器件对光、电、热等多种刺激均有响应，从而实现无线控制。然而，现有的二氧化钒驱动器往往被限制在毫米级尺寸，宏观器件依赖于多晶薄膜（应变~0.3%），都无法将二氧化钒的驱动性能最大化使用，而制备得到的二氧化钒单晶常以纳米线的形式存在，长度也往往小于100微米，难以将其组装为大尺寸薄膜。因此，宏观尺寸的单晶二氧化钒薄膜的制备依然难以实现。

近日，南方科技大学程春（点击查看介绍）课题组开发了一种简便的水热-退火工艺，可将易于制备的超长H₂V₃O₈纳米线阵列转变为超顺排VO₂ (M1) NA薄膜，并与碳纳米管薄膜简单贴合为双晶结构，即可制得高性能、厘米尺寸的软体机器人。这一成果发表在WILEY智能系统领域旗舰刊Advanced Intelligent Systems 上。合作者包括香港科技大学王宁教授、西悉尼大学Abbas Amini教授。该工作得到了广东省杰出青年自然科学基金、深圳市基础研究学科布局、广东高水平人才计划、香港研究资助局等项目的经费支持。

图1. 二氧化钒超顺排薄膜的制备与表征

如图1所示，研究者首先使用水热法制备了超长H₂V₃O₈纳米线，利用气-液-油三相界面组装成一维纳米线顺排薄膜，在300 Pa条件下将所得薄膜加热到500摄氏度，保温20分钟，以实现H₂V₃O₈ 向VO₂ (M1)的相转变。所制备二氧化钒纳米线的轴向方向基本与M1相的a轴一致，单根纳米线在相变中可产生~1%的轴向应变。

图2. VO₂ NA/CNT器件的驱动性能测试

表1. VO₂ NA/CNT驱动器件与其他器件的性能对比。

如图2所示，所制得的厘米级VO₂ NA/CNT驱动器在热、光、电三种激发方式下均可工作，并表现出极佳的驱动性能：高振幅（振幅/器件长度比~0.83），高相应频率（~15 Hz）。据此，可计算得到，二氧化钒薄膜的在相变过程中的整体应变可达0.614%，对应功密度~2.64 J/cm³，高于其他同尺寸的软体机器人。

图3. VO₂ NA/CNT器件的各向异性测试及扭转驱动

图4. 基于VO₂ NA/CNT结构的仿生器件展示

此外，研究者发现，VO₂ NA薄膜拥有显著的各向异性，直接改变激光切割的方向，即可实现VO₂ NA/CNT器件的扭转驱动模式（图3），这使得研究者能够免于使用成本更高，更为复杂的微加工技术，以更简单的方式实现复杂的驱动行为（图4）。

小结

这一研究不但构建了一种新型大尺寸、高性能的软体机器人，同时也使得微纳尺寸二氧化钒优异的相变性能在宏观器件中的应用成为了可能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multistimuli‐Responsive Insect‐Scale Soft Robotics Based on Anisotropic Super‐Aligned VO₂ Nanowire/Carbon Nanotube Bimorph Actuators

Pengcheng Chen,# Run Shi,# Nan Shen, Zhuoqiong Zhang, Yuxing Liang, Tianran Li, Jingwei Wang, Dejun Kong, Yichen Gan, Abbas Amini, Ning Wang, Chun Cheng*

Adv. Intell. Syst., 2020, DOI:10.1002/aisy.202000051

导师介绍

程春

https://www.x-mol.com/university/faculty/47853