【儀表網 儀表研發】氣動執行器因其彎曲程度高、自由度大、環境適應性強等特點，在醫療保健、復雜地形勘探等領域有廣泛的應用前景。但由于其壓力系統離不開笨重且剛性的泵驅動氣體設備，極大地限制了執行器的尺寸和移動性，以及在室外環境中的應用。液-氣相變復合材料是一種在柔性彈性體中摻雜液-氣相變材料而形成的智能材料。
當溫度達到材料沸點時，液滴蒸發產生壓力，帶動復合材料膨脹，因此每個微液滴都可以看作是一個氣動單元。通過這種方式，將氣源和氣泵的功能集成到主要材料中，大大降低了系統的復雜性。然而，相變執行器的加熱方式受到焦耳加熱或環境加熱的限制，需要外接電源或更高的環境溫度，這阻礙了其更廣泛的應用。此外，目前對執行器變形行為的監測通常由光學相機記錄，然后對獲得的圖像進行后分析，缺乏實時性。因此，如何設計一個無系繩，且具有感知自身運動的柔性執行器仍是一個挑戰。
針對上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所增材制造材料技術團隊程昱川研究員和孫愛華研究員基于石墨烯、低沸點溶液微滴和硅橡膠，制備了一種集成變形驅動和傳感特性于一體的光響應液-氣相變彈性體(PRPTE)(如圖1)。PRPTE具有優異的機械性能，在100℃時，低沸點發生液-氣相變產生的軸向力可以高達自身重量的400倍，且穩定性良好。以該材料為主動層材料，團隊采用4D打印技術制備了一系列柔性執行器，實現彎曲、抓取和爬行等光控程序化運動(如圖3)。
尤其重要的是，基于電容變化PRPTE表現出自傳感特性。石墨烯吸收近紅外光產生熱量，低沸點液體發生液-氣相變，介電常數減小；石墨烯因硅橡膠膨脹而逐漸分散，彈性體介電常數減小；同時電極間距增大。在以上三個因素的共同作用下，PRPTE的電容會迅速減小，從而實現對其變形的實時感知。模仿生物體利用其自身信號反饋調節肌肉收縮和拉伸，從而進行復雜運動，團隊制備了一種人工肌肉(如圖2)。該人工肌肉可以通過反饋的電容值得知腿部彎曲角度，并根據需要的角度進行精確控制。該研究實現了柔性執行器的驅動/傳感一體化功能集成，為設計和制造具有集成自感知能力的軟機器人提供了新思路。
該工作以“4D printing Light-Driven soft actuators based on Liquid-Vapor phase transition composites with inherent sensing capability”為題發表在Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140271 (https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140271)。本研究得到了浙江省自然科學基金(No.LZ22E030003)、國家重點研發計劃(No.2021YFB3701500)、國家自然科學基金(No.11874366)和寧波市重大科技攻關(No.20211ZDYF020228)等項目的支持。
圖1 PRPTE執行器的驅動、傳感原理和制造
圖2 PRPTE傳感性能的表征
圖3 4D打印PRPTE/PDMS雙層結構執行器
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