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  柔性驅(qū)動(dòng)器可響應(yīng)外界刺激（光、熱、電、磁、濕度、溶劑等）、并將外界刺激直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而發(fā)生自身形狀、位移的改變。它們?cè)谌嵝詸C(jī)器人、可穿戴設(shè)備、電子設(shè)備等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，吸引了研究者的廣泛關(guān)注。目前，基于水凝膠、液晶彈性體、雙層或多層聚合物等材料的柔性驅(qū)動(dòng)器已被大量報(bào)道。

  若同時(shí)賦予柔性驅(qū)動(dòng)器多重刺激響應(yīng)性和多重愈合性能，有望使柔性驅(qū)動(dòng)器在不同的使用環(huán)境中，可隨時(shí)隨地用周邊易獲取的工具進(jìn)行自愈或驅(qū)動(dòng)，這對(duì)拓寬其應(yīng)用范圍有重要意義。但目前已經(jīng)報(bào)道的具有多重刺激響應(yīng)性或具有多重愈合性能的柔性驅(qū)動(dòng)器很少，而同時(shí)具有兩種多重性能的柔性驅(qū)動(dòng)器幾乎沒有�，F(xiàn)已報(bào)道的柔性驅(qū)動(dòng)器大多數(shù)都只能通過一種或兩種刺激進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，少數(shù)基于熱塑性塑料或水凝膠的柔性驅(qū)動(dòng)器有三種或四種刺激響應(yīng)性，但其力學(xué)性能差或只能在水環(huán)境中使用；只有基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵的柔性驅(qū)動(dòng)器能自愈合，但也只可通過一種或兩種刺激進(jìn)行自愈合/自修復(fù)。制備同時(shí)具有兩種多重性能的柔性驅(qū)動(dòng)器仍是很大的挑戰(zhàn)。

  近日，清華大學(xué)核研院楊洋博士和清華大學(xué)化學(xué)系吉巖副教授、張瑩瑩副教授制備了基于環(huán)氧樹脂類玻璃高分子（vitrimer）和碳化蠶絲的柔性驅(qū)動(dòng)器，該柔性驅(qū)動(dòng)器不僅對(duì)4種刺激（光、熱、電、溶劑）具有響應(yīng)性，同時(shí)可用5種刺激（光、熱、電、電磁波、溶劑）進(jìn)行自愈合/自修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了柔性驅(qū)動(dòng)器同時(shí)具有多重響應(yīng)性和多重愈合的性能，有望使柔性驅(qū)動(dòng)器和復(fù)合材料在工業(yè)上有更廣泛的應(yīng)用。

圖1  基于類玻璃高分子和碳化蠶絲的柔性驅(qū)動(dòng)器具有多重刺激響應(yīng)性（光、熱、電、溶劑）和多重愈合性能（光、熱、電、電磁波、溶劑）

  該柔性驅(qū)動(dòng)器是將碳化蠶絲通過簡單熱壓法嵌入類玻璃高分子的表層獲得的納米復(fù)合材料。類玻璃高分子是含動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。本研究所用的環(huán)氧樹脂類玻璃高分子含有動(dòng)態(tài)酯鍵，在高溫下，快速的酯交換反應(yīng)使交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使類玻璃高分子不僅在成型后可再加工、重塑形、焊接，還使其具有自愈合的性能。碳化蠶絲由市場(chǎng)上購買的、最普通的平紋編織的真絲面料經(jīng)過高溫碳化而成。

  首先，柔性驅(qū)動(dòng)器在光、電、熱、電磁波和溶劑刺激下，可高效地、反復(fù)地自愈合/自修復(fù)（圖2）。這是因?yàn)樵撊嵝则?qū)動(dòng)器復(fù)合材料結(jié)合了碳化蠶絲和柔性驅(qū)動(dòng)器的各自特點(diǎn)：碳化蠶絲具有很好的光熱效應(yīng)、電熱效應(yīng)、電磁-熱效應(yīng)，可將光能、電能、電磁波轉(zhuǎn)換為熱，從而引發(fā)類玻璃高分子的酯交換反應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，使柔性驅(qū)動(dòng)器復(fù)合材料可用光、電和電磁波進(jìn)行劃痕、孔、傷口、裂紋的自愈合；類玻璃高分子自身對(duì)熱和溶劑具有響應(yīng)性，可用熱和溶劑進(jìn)行自愈合/自修復(fù)。其次，柔性驅(qū)動(dòng)器復(fù)合材料具有多重響應(yīng)性，可用光、電、熱、溶劑來引發(fā)其可逆形變（圖1）。這是因?yàn)轭惒ＡЦ叻肿雍吞蓟Q絲具有不同的熱膨脹系數(shù)和溶脹系數(shù)，兩者在熱或溶劑中的形變程度不同，使復(fù)合材料整體發(fā)生彎曲形變。且當(dāng)撤去熱和溶劑時(shí)，彎曲形狀可恢復(fù)至原始形狀。因碳化蠶絲具有光熱效應(yīng)、電熱效應(yīng)，柔性驅(qū)動(dòng)器還可用光和電驅(qū)動(dòng)其可逆形變。

  綜上所述，該研究中基于類玻璃高分子和碳化蠶絲的柔性驅(qū)動(dòng)器不僅對(duì)4種刺激（光、熱、電、溶劑）具有快速的響應(yīng)性，還可用5種刺激（光、熱、電、電磁波、溶劑）進(jìn)行劃痕、裂紋、傷口等的自愈合（圖2），且愈合后沒有明顯的機(jī)械性能和愈合效率的下降。

圖2  柔性驅(qū)動(dòng)器通過電、光、電磁波、溶劑、熱愈合劃痕和針孔（a），且愈合后沒有明顯的機(jī)械性能下降（b, c）

  此外，該復(fù)合材料還有其他優(yōu)點(diǎn)，例如碳化蠶絲嵌入類玻璃高分子表層可避免多層結(jié)構(gòu)的分層現(xiàn)象，基于環(huán)氧樹脂熱固性材料的復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能，類玻璃高分子的網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)特性使復(fù)合材料可再加工、可回收、可持續(xù)利用等。本研究中的柔性驅(qū)動(dòng)器復(fù)合材料是一種有應(yīng)用前景的自修復(fù)材料，特別是在建筑工業(yè)、柔性電子設(shè)備、可穿戴傳感器等領(lǐng)域；且有望應(yīng)用于不同的場(chǎng)景/應(yīng)用，通過周邊易獲取、方便的工具（如一束光或一滴溶劑）來自修復(fù)或引發(fā)其變形。

  以上研究成果以“Vitrimer-based soft actuators with multiple responsiveness and self-healing ability triggered by multiple stimuli”為題發(fā)表在Matter上。清華大學(xué)核研院楊洋博士為文章的第一作者和通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)系吉巖副教授和張瑩瑩副教授為共同通訊作者。清華大學(xué)核研院何向明教授、王建龍教授，清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授、王惠民博士和張帥博士生參與了該研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.08.009