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  近日，吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)與英國曼徹斯特大學(xué)任雷教授團(tuán)隊(duì)的研究人員在《Adv. Funct. Mater.》雜志上聯(lián)合報(bào)道了一種兼具大形變和快響應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)Nafion離子聚合物-金屬復(fù)合材料（IPMC）。該文章的通訊作者為英國曼徹斯特大學(xué)的任雷教授和吉林大學(xué)的梁云虹教授，第一作者為吉林大學(xué)的馬愫倩博士。

  近年來，具有高彈性的人工肌肉被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療和仿生機(jī)器人等先進(jìn)領(lǐng)域。IPMC具有質(zhì)量輕、制備簡單、驅(qū)動(dòng)電壓低、彎曲特性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于人工肌肉。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要由大變形和快速響應(yīng)的配合來產(chǎn)生高效制動(dòng)，而IPMC人工肌肉很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)大形變和快響應(yīng)，這極大地限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

  在這項(xiàng)工作中，研究人員報(bào)道了一種異丙醇輔助化學(xué)鍍的方法來制備具有較高質(zhì)量金屬電極的Nafion IPMC。該Nafion IPMC在較低的直流電壓和交流電壓的驅(qū)動(dòng)下，均能無延遲地做出響應(yīng)，并產(chǎn)生較大的形變。值得一提的是，當(dāng)交流電壓的頻率為19 Hz時(shí)，該Nafion IPMC在4 V電壓的驅(qū)動(dòng)下，其產(chǎn)生形變的響應(yīng)時(shí)間小于1ms，末端位移的平均速度可達(dá)224mm/s，比傳統(tǒng)的IPMC運(yùn)動(dòng)速率提高了25倍。

圖1異丙醇輔助化學(xué)鍍制備Nafion IPMC的路線圖

  除此之外，研究人員使用一維力傳感器測量了Nafion IPMC彎曲所產(chǎn)生的阻滯力，結(jié)果顯示：IPMC尖端的阻滯力隨施加電壓的增大而增大，且阻滯力比傳統(tǒng)的IPMC提高了約10倍。此外，研究人員將重物固定在Nafion IPMC的一端，其最高可承受自重20倍的物體。而且Nafion IPMC臂所提升重物的高度，可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的大小來精準(zhǔn)控制，在未來有望應(yīng)用于機(jī)械臂。 

圖2 Nafion IPMC承重性能測試

  研究人員將兼具大變形和快響應(yīng)的Nafion IPMC進(jìn)一步應(yīng)用于多種模式變形的新型仿生制動(dòng)器，設(shè)計(jì)了圖3所示的仿生花，以模仿連翹花的花瓣開合過程。在直流電壓的作用下，仿生花可以實(shí)現(xiàn)可逆的花瓣開合行為。

圖3 仿生花瓣

  隨后，研究人員制造了一個(gè)仿生藤蔓，以模仿黃瓜藤蔓的卷曲運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，仿生藤蔓最初是筆直的，當(dāng)施加電壓后，藤蔓可以無延時(shí)地進(jìn)行快速卷曲，且此過程可逆。

圖4 仿生藤蔓

  除了模擬植物的運(yùn)動(dòng)外，研究人員還將Nafion IPMC用于模擬蜻蜓高頻振翅的運(yùn)動(dòng)。如圖5所示，Nafion IPMC所制備的蜻蜓翅膀可以在較高頻率的電壓驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)快速振動(dòng)，這表明Nafion IPMC在大變形和快響應(yīng)方面具有出色的性能。

圖5 模擬蜻蜓翅膀

  本篇文章中，研究人員所制備的高性能Nafion IPMC在較低電壓的驅(qū)動(dòng)下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大形變和快速響應(yīng)，而且表現(xiàn)了出色的“四兩撥千斤”的多模式驅(qū)動(dòng)性能，能夠模擬花瓣開合、藤蔓卷曲/解開以及高頻蜻蜓翅膀振動(dòng)等動(dòng)植物行為。這項(xiàng)技術(shù)不僅為大位移和快速響應(yīng)的輕型致動(dòng)器的制造鋪平了道路，而且為生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)支持！

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908508