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  薄膜驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)如行走、爬行、跳躍等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，并且具有柔性高、形狀可塑強(qiáng)和刺激響應(yīng)塊等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在智能仿生設(shè)備、傳感器和軟機(jī)器人領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。近年來，許多研究工作致力于構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)大、運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的薄膜驅(qū)動(dòng)器來模擬生物運(yùn)動(dòng)。然而，薄膜驅(qū)動(dòng)器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)信息反饋和環(huán)境信息反饋等方面缺乏系統(tǒng)性的討論與研究。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)能夠基于摩擦電效應(yīng)和靜電感應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，在自供電傳感器和微納能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通過將薄膜驅(qū)動(dòng)器與TENG相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)薄膜式的光/熱致動(dòng)-信息探測(cè)-電信號(hào)反饋的一體化器件。

  本文利用PET、炭黑油墨和PDMS材料設(shè)計(jì)了一種三明治結(jié)構(gòu)的薄膜驅(qū)動(dòng)器，通過引入了摩擦納米發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)信息的反饋和環(huán)境的反饋。該薄膜驅(qū)動(dòng)器在80 ℃的熱環(huán)境下可產(chǎn)生約840°彎曲形變。器件在經(jīng)歷高濕度，高溫度，化學(xué)試劑等環(huán)境后保持性能的穩(wěn)定，在不使用形狀記憶材料的情況下，表現(xiàn)出良好的可塑性和形狀記憶性。該薄膜器件與環(huán)境物體發(fā)生接觸時(shí)，可作為單電極工作模式的TENG產(chǎn)生峰值5 V的電信號(hào)反饋；當(dāng)自身運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生峰值為3.7 V的實(shí)時(shí)反饋；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有反饋機(jī)制的機(jī)械夾持器，能夠利用光/熱工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)輕重量物體的抓取和操縱，并產(chǎn)生峰值4.5 V的實(shí)時(shí)反饋。通過薄膜驅(qū)動(dòng)器和TENG的結(jié)合，驗(yàn)證了一種能夠以光/熱為能源，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電信號(hào)反饋一體化的智能薄膜器件。該成果以“Bio-inspired soft actuator with contact feedback based on photothermal effect and triboelectric nanogenerator”為題發(fā)表在Nano Energy上。文章的第一作者是廣西大學(xué)的碩士研究生金旭。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

圖2 薄膜驅(qū)動(dòng)器的接觸反饋性能，（a）仿生蛙舌驅(qū)動(dòng)器的示意圖與照片，（b）薄膜驅(qū)動(dòng)器電信號(hào)產(chǎn)生的過程示意圖，（c）薄膜驅(qū)動(dòng)器發(fā)電過程的COMSOL仿真結(jié)果，（d）薄膜驅(qū)動(dòng)器與不同材料接觸過程中的開路電壓信號(hào)曲線，（e）與PTFE接觸時(shí)的開路電壓曲線，（f）薄膜驅(qū)動(dòng)器在水平面上運(yùn)動(dòng)的照片與（g）電反饋波形，（h）薄膜驅(qū)動(dòng)器抓取物體的照片與（i）實(shí)時(shí)反饋波形。

  通過結(jié)合薄膜驅(qū)動(dòng)器和TENG，設(shè)計(jì)了一種能夠利用光/熱驅(qū)動(dòng)的自反饋的智能薄膜，實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)境穩(wěn)定性與機(jī)械記憶性。該薄膜驅(qū)動(dòng)器可作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)、信息探測(cè)和電信號(hào)反饋一體化的智能器件，在之后的工作中，可以將該器件與智能傳輸模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光/熱能源采集、環(huán)境信息收集和信息無線傳輸一體化的器件，為薄膜驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用提供了一種創(chuàng)新和可行的方法。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107366