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  致動(dòng)器是一種能夠在外界信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一定的位移響應(yīng)或提供力學(xué)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(jī)械能，其種類及應(yīng)用都十分廣泛。例如，大家熟知的電動(dòng)機(jī)就是一種典型的電致動(dòng)器。此外，用于制造衛(wèi)星天線的形狀記憶合金、產(chǎn)生精準(zhǔn)位移的壓電陶瓷等，也都可看作是致動(dòng)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(xué)強(qiáng)度和柔韌性、較高的電導(dǎo)、較強(qiáng)的光吸收能力等優(yōu)良特性制備了各種各樣的致動(dòng)器。以輸出的運(yùn)動(dòng)形式來(lái)分類，主要有碳納米管/高聚物雙層彎曲致動(dòng)器、碳納米管/凝膠電解質(zhì)/碳納米管三層彎曲致動(dòng)器，以及碳納米管（復(fù)合）纖維扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器。其中，彎曲致動(dòng)器一般是依靠電或光的激勵(lì)，使器件兩端發(fā)生非對(duì)稱的體積形變，進(jìn)而引起整體結(jié)構(gòu)的彎曲；而扭轉(zhuǎn)致動(dòng)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)往往還會(huì)伴隨軸向的提拉運(yùn)動(dòng)。相比傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)而言，這些器件具有結(jié)構(gòu)和工藝更加簡(jiǎn)單、便于微型化等優(yōu)勢(shì)，在人工智能、生物醫(yī)療、微傳感器等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  針對(duì)碳納米管纖維扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器，以往較多的研究集中在利用電熱效應(yīng)、光熱效應(yīng)或電化學(xué)離子嵌插效應(yīng)引發(fā)致動(dòng)。最新的工作則注意到碳納米管對(duì)酒精、丙酮等有機(jī)溶劑的親和性，通過(guò)液態(tài)或氣態(tài)溶劑的直接激勵(lì)，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(dòng)現(xiàn)象的啟發(fā)，如松果的鱗片會(huì)隨著空氣濕度的變化而關(guān)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(jìn)到更深的土壤層，研究者們也希望利用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的碳納米管纖維結(jié)構(gòu)制備出由最常見的無(wú)機(jī)溶劑——水驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)致動(dòng)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(huì)對(duì)水產(chǎn)生有效的響應(yīng)。雖然可以采用等離子體輻照的方式對(duì)碳納米管進(jìn)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(xué)強(qiáng)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(huì)改變。

  中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室“納米材料與介觀物理”研究小組（A05組）多年來(lái)一直致力于碳納米材料的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)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(zhǎng)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(luò)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(dǎo)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(luò)作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原始結(jié)構(gòu)的改性。經(jīng)過(guò)對(duì)比，PEDOT:PSS這種材料不僅對(duì)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(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，另外還能通過(guò)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(fù)合纖維致動(dòng)器展現(xiàn)出很好的水（濕度）致動(dòng)性能。特別地，通過(guò)限制纖維的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以極大地提高軸向的提拉輸出，其能量密度和提拉應(yīng)力可達(dá)到96.9 J/kg和39 MPa，分別約是動(dòng)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(dǎo)電材料，器件還可以實(shí)現(xiàn)快速、大幅度的電致動(dòng)。這種新型復(fù)合纖維致動(dòng)器在濕度傳感、發(fā)電、微流體攪拌等方面具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)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(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院等項(xiàng)目的支持。

圖1 (a) 復(fù)合纖維的制備過(guò)程; (b) 致動(dòng)機(jī)理示意圖; (c) 不同槳葉質(zhì)量下的扭程和提拉應(yīng)變。

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

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

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