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  致動器是一種能夠在外界信號源的驅(qū)動下產(chǎn)生一定的位移響應或提供力學輸出的器件，亦稱人工肌肉。這種器件將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能，其種類及應用都十分廣泛。例如，大家熟知的電動機就是一種典型的電致動器。此外，用于制造衛(wèi)星天線的形狀記憶合金、產(chǎn)生精準位移的壓電陶瓷等，也都可看作是致動器。

  碳納米管是一種具有多方面突出性能的碳納米材料。研究者們利用碳納米管優(yōu)異的力學強度和柔韌性、較高的電導、較強的光吸收能力等優(yōu)良特性制備了各種各樣的致動器。以輸出的運動形式來分類，主要有碳納米管/高聚物雙層彎曲致動器、碳納米管/凝膠電解質(zhì)/碳納米管三層彎曲致動器，以及碳納米管（復合）纖維扭轉(zhuǎn)致動器。其中，彎曲致動器一般是依靠電或光的激勵，使器件兩端發(fā)生非對稱的體積形變，進而引起整體結(jié)構(gòu)的彎曲；而扭轉(zhuǎn)致動器則是基于螺旋結(jié)構(gòu)的纖維體積膨脹后產(chǎn)生解旋運動，同時往往還會伴隨軸向的提拉運動。相比傳統(tǒng)的電動機而言，這些器件具有結(jié)構(gòu)和工藝更加簡單、便于微型化等優(yōu)勢，在人工智能、生物醫(yī)療、微傳感器等諸多領域具有廣闊的應用前景。

  針對碳納米管纖維扭轉(zhuǎn)致動器，以往較多的研究集中在利用電熱效應、光熱效應或電化學離子嵌插效應引發(fā)致動。最新的工作則注意到碳納米管對酒精、丙酮等有機溶劑的親和性，通過液態(tài)或氣態(tài)溶劑的直接激勵，使器件產(chǎn)生十分顯著的扭轉(zhuǎn)行為。受自然界中諸多濕度致動現(xiàn)象的啟發(fā)，如松果的鱗片會隨著空氣濕度的變化而關閉或張開、某些植物種子上的須刺因晝夜?jié)穸鹊慕惶孀兓瘜⒎N子推進到更深的土壤層，研究者們也希望利用輕質(zhì)、高強度的碳納米管纖維結(jié)構(gòu)制備出由最常見的無機溶劑——水驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)致動器。然而，碳納米管本身是一種疏水材料，這意味著原始碳納米管構(gòu)建的纖維不會對水產(chǎn)生有效的響應。雖然可以采用等離子體輻照的方式對碳納米管進行親水性處理，但是這將在一定程度上破壞碳納米管的分子結(jié)構(gòu)，引入較多的缺陷，從而降低了力學強度。此外，這種方法只能修飾結(jié)構(gòu)表面的親疏水性，而內(nèi)部的疏水性幾乎不會改變。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組（A05組）多年來一直致力于碳納米材料的制備、物性與應用基礎研究，取得了一系列研究成果。該組馬文君早在2007年就發(fā)展出了一套宏觀碳納米管薄膜的生長工藝（Nano Lett., 2007, 7, 2307–2311）。這種較大尺寸、自支撐、性能優(yōu)異的碳納米管網(wǎng)絡可以十分方便地被擰制成直徑和匝數(shù)密度可控的纖維樣品。為避免等離子體處理的破壞作用，近期，該組中科院院士解思深指導的博士生谷孝剛與該組博士生范慶霞、研究員周維亞等人采取一種新的思路：將碳納米管網(wǎng)絡作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來實現(xiàn)對原始結(jié)構(gòu)的改性。經(jīng)過對比，PEDOT:PSS這種材料不僅對水具有非常高的敏感度和吸收能力，而且在水環(huán)境中能夠保持長時間的穩(wěn)定性，另外還能通過π-π鍵相互作用與碳納米管發(fā)生較為緊密的結(jié)合。這種CNT/PEDOT:PSS復合纖維致動器展現(xiàn)出很好的水（濕度）致動性能。特別地，通過限制纖維的扭轉(zhuǎn)運動，可以極大地提高軸向的提拉輸出，其能量密度和提拉應力可達到96.9 J/kg和39 MPa，分別約是動物肌肉的12倍和110倍。在濕度較高的條件下，由于碳納米管和PEDOT:PSS都是導電材料，器件還可以實現(xiàn)快速、大幅度的電致動。這種新型復合纖維致動器在濕度傳感、發(fā)電、微流體攪拌等方面具有潛在的應用前景。相關研究結(jié)果發(fā)表在Nanoscale (2016, 8, 17881 - 17886)上。

  該工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院等項目的支持。

圖1 (a) 復合纖維的制備過程; (b) 致動機理示意圖; (c) 不同槳葉質(zhì)量下的扭程和提拉應變。

圖2 復合纖維的扭轉(zhuǎn)和提拉致動性能測試。(a) 激光位移傳感器記錄槳葉的扭轉(zhuǎn)運動; (b) 扭轉(zhuǎn)致動的循環(huán)穩(wěn)定性測試; (c) 玻璃片限制槳葉扭轉(zhuǎn) ; (d) 復合纖維提拉自身重量~ 11,309倍的重物，最大應變 ~ 9.4% ; (e) 復合纖維的提拉應變和功率密度隨槳葉質(zhì)量的變化關系; (f) 提拉致動的循環(huán)穩(wěn)定性測試。

圖3 (a) 復合纖維對環(huán)境濕度的響應; (b) 復合纖維編織物; (c) 在幅值10 mA, 周期 ~ 1 s的脈沖電流激勵下發(fā)生電致動。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/nr/c6nr06185k#!divAbstract