揮發(fā)性有機化合物（VOC）廣泛存在于日常環(huán)境，在生產(chǎn)/生活中對人體健康和環(huán)境造成危害。傳統(tǒng)VOC檢測依賴于體積龐大或功能模塊復(fù)雜的氣體傳感器，不僅需要人工操作，增加操作者的暴露風(fēng)險，且難以兼顧便攜性、快校準和動態(tài)檢測需求。基于微型軟體機器人的遠程自主VOC感知與報警技術(shù)有望為VOC監(jiān)測提供一種更便捷安全的方案。然而，實現(xiàn)軟體機器人的運動（驅(qū)動）與VOC感知協(xié)同工作仍面臨挑戰(zhàn)？梢暬VOC感知是一種直觀高效的檢測方式，電學(xué)感知則有望提供更精確的VOC信息。開發(fā)一種兼具顏色變化和電學(xué)功能的VOC響應(yīng)變形材料，有助于實現(xiàn)VOC信息的“驅(qū)動變形-同步動態(tài)感知”，對環(huán)境感知型微型軟體機器人的探索和發(fā)展有重要意義。
近日，東華大學(xué)熊佳慶/周欣然團隊提出一種VOC響應(yīng)變形納米纖維膜，通過在壓電聚合物中引入VOC變色填料(SC-PAL/PVDF)，實現(xiàn)了VOC致變色并增強材料驅(qū)動性能和壓電效應(yīng)，用于開發(fā)對VOC具有視覺-電學(xué)雙模感知能力的全纖維雙層結(jié)構(gòu)驅(qū)動器（SCP-BF）。SCP-BF表現(xiàn)出雙向彎曲、顯著穩(wěn)定的顏色變化以及同步壓電信號輸出，對VOC類型和濃度具有識別潛力。該VOC致變色壓電驅(qū)動器表現(xiàn)出大彎曲曲率（4.63 cm-1），超快響應(yīng)速度（4.36 cm-1 s-1），200次循環(huán)變色無衰弱、1500次循環(huán)驅(qū)動的高穩(wěn)定性，并可自主產(chǎn)生壓電信號以反映其變形或運動狀態(tài)。作者證實了VOC可視化、VOC類型和方向檢測、光/聲報警系統(tǒng)以及一系列VOC響應(yīng)智能開關(guān)、抓手和微型機器人，展示了SCP-BF在VOC動態(tài)檢測與操控方面的可行性和應(yīng)用潛力。
相關(guān)成果以“All-Fiber Volatile Organics-Perceptive Actuators”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊上，論文第一作者為東華大學(xué)碩士生王爽，通訊作者為熊佳慶研究員和周欣然副研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。
圖1.VOC變色-壓電全纖維驅(qū)動器的設(shè)計及性能
受王蓮循環(huán)開放/閉合和同步變色行為的啟發(fā)，作者設(shè)計了一種VOC致變形-變色-壓電材料（SC-PAL/PVDF），并開發(fā)了具有視覺、電學(xué)雙重感知能力的VOC響應(yīng)的全纖維雙層膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動器（SCP-BF）。分級納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許VOC快速遷移/擴散和逸出，利用雙層纖維膜（PEO和SC-PAL/PVDF）對同種VOC的差異化溶脹體積變化響應(yīng)，可實現(xiàn)VOC觸發(fā)的驅(qū)動變形。該驅(qū)動器綜合性能優(yōu)異，很好地兼顧了VOC變色、驅(qū)動形變、響應(yīng)速率、電學(xué)輸出、長效穩(wěn)定性和VOC感知能力。由SCP-BF制成的仿生花能夠在不同溶劑氣氛中展現(xiàn)出差異化的開放/閉合與可逆變色行為（圖1，視頻1）。
視頻1. SCP-BF仿生花在VOC蒸氣刺激下的開閉和變色行為
圖2. SC-PAL的合成與表征
本文所述VOC致變形-變色-壓電纖維（SC-PAL/PVDF）基于一種VOC變色的凹凸棒土填料的合成。具體是先對酸處理后的凹凸棒土（PAL）進行烷基修飾，隨后通過機械研磨將其作為質(zhì)子供體與結(jié)晶紫內(nèi)酯結(jié)合，促使結(jié)晶紫內(nèi)酯開環(huán)并形成醌式大π鍵顯色基團，制備出具有藍色顯色體系的VOC致變色凹凸棒土（SC-PAL）。得益于烷基修飾，SC-PAL展現(xiàn)出超疏水特性，使其在水環(huán)境或高濕氣下性能穩(wěn)定，但在接觸不同溶劑時可呈現(xiàn)出顯著可逆的顏色變化（藍色—黃色）。由于極性及質(zhì)子化程度的差異，不同VOC可通過干擾SC-PAL中醌式大π鍵顯色基團的電子結(jié)構(gòu)與共軛體系，誘導(dǎo)差異化的結(jié)晶紫內(nèi)酯顯色效應(yīng)，進而形成不同程度的變色效果（圖2）。
圖3. SCP-BF驅(qū)動器的VOC致變色性能和壓電性能
作者將SC-PAL作為填料混入PVDF中進行靜電紡絲，并通過連續(xù)紡絲構(gòu)造第二層PEO纖維層，實現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)且尺寸可調(diào)的SCP-BF驅(qū)動器一體化成型。作者系統(tǒng)研究了SCP-BF驅(qū)動器的變色性能及壓電效應(yīng)，證實SC-PAL填料的引入通過其結(jié)構(gòu)及界面協(xié)同不僅實現(xiàn)了機械強度提升與在不同溶劑蒸氣作用下的區(qū)別性顏色變化，其界面還可誘導(dǎo)PVDF中結(jié)晶度的提高與壓電相（β相）含量的提升，從而顯著增強其壓電性能（d33 從20 pC N-1增強至30 pC N-1）（圖3）。
圖4. 具有壓電感知力的SCP-BF驅(qū)動器
SCP-BF的驅(qū)動變形源于SC-PAL/PVDF層與PEO層在VOC刺激下產(chǎn)生不對稱膨脹，且由于雙層材料對不同溶劑分子的親和力（溶脹性）的差異，器件可發(fā)生雙向彎曲變形。作者證實SCP-BF驅(qū)動器在-20 ℃至40 ℃溫度范圍內(nèi)均能穩(wěn)定工作，并展現(xiàn)出優(yōu)異變形性能，包括超快的響應(yīng)速度（4.36 cm-1 s-1）和極大的彎曲曲率（4.63 cm-1）。尤其，器件在1500次驅(qū)動循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性，證實其在實際應(yīng)用中的可靠性和多場景適應(yīng)可能性（圖4）。借助SC-PAL/PVDF的優(yōu)異壓電特性，該驅(qū)動器可通過壓電器件構(gòu)造實現(xiàn)電信號輸出（電壓~500 mV）和VOC的電學(xué)感知。
圖5. SCP-BF在VOC操縱、感知和微型機器人中的應(yīng)用
基于SCP-BF驅(qū)動器的VOC致變色與壓電協(xié)同特性，作者開發(fā)了多模態(tài)智能驅(qū)動器件，包括VOC方向指示器、夾爪、智能瓶蓋和方向可控性驅(qū)動等功能。結(jié)合壓電傳感構(gòu)造，設(shè)計了可實時監(jiān)測運動狀態(tài)的爬行機器人（視頻2），有望通過檢測其變形曲率與VOC濃度間的定量關(guān)系實現(xiàn)環(huán)境VOC主動感知。利用驅(qū)動器的雙向變形開關(guān)特性，進一步開發(fā)了VOC環(huán)境智能感知報警系統(tǒng)，有望為生產(chǎn)/生活環(huán)境中的VOC動態(tài)自主監(jiān)測提供一種可能的新策略，提高環(huán)境檢測安全性和智能性（圖5）。
視頻2. 基于SCP-BF的VOC響應(yīng)微型機器人
本文展示了一種“VOC致驅(qū)動-變色-壓電效應(yīng)”協(xié)同工作的全纖維驅(qū)動器開發(fā)策略，設(shè)計了一種基于烷基修飾凹凸棒土的VOC致變色材料（SC-PAL），并證實其對PVDF納米纖維膜壓電性能的提升，實現(xiàn)了驅(qū)動器對VOC的視覺-電學(xué)雙模感知。在VOC作用下，驅(qū)動器可產(chǎn)生雙向彎曲，并通過顯著顏色變化及特征壓電信號輸出識別各類VOC信息（方位、種類、濃度）可被設(shè)計為智能響應(yīng)驅(qū)動器或小型軟體機器人。這一策略為安全監(jiān)測、健康防護等領(lǐng)域提供了一種普適的交互式視覺-電子VOC檢測方案，有望為智能設(shè)備/裝備和軟體機器人向高靈敏、自供能、多模態(tài)感知方向的發(fā)展提供啟示。
文章信息：
S Wang, H Liu, Y Zhang, M Wu, Y Zhang, J Zhang, X Zhou*, J Xiong*, All-Fiber Volatile Organics-Perceptive Actuators, ACS Nano, 2025.
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16330
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing
