固体所开发了基于不对称热膨胀的可编程液态金属光致动器

近期，中国科学院合肥物质院固体所高分子与复合材料研究部田兴友和张献研究员团队受植物卷须启发，利用液态金属微球的光热效应开发了基于不对称热膨胀的液态金属/聚酰亚胺/聚四氟乙烯（LM/PI/PTFE）可编程光热致动器。该光热致动器在柔性机器人、智能设备和仿生系统领域展现出广阔的应用前景。相关结果以“Tendril-Inspired Programmable Liquid Metal Photothermal Actuators for Soft Robots”为题作为封面文章发表在材料类TOP期刊Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2310380(2023))上。      光热致动器可以将光能通过热能转化为机械能，凭借结构简单、构筑方法便捷、光源清洁可持续引起了研究人员的极大关注。然而，构筑光热致动器的常用光热填料（碳材料和金属微晶）是刚性填料，会降低基底的柔韧性和光热致动器的响应速率。液态金属（LM）作为一种新兴柔性填料，其微球与其他金属颗粒类似，且具有优异的光热性能，可用于制备光热致动器。

不对称热膨胀是构筑光热致动器的基本原理，但尚未用于构筑可编程液态金属光热致动器。基于不对称热膨胀的液态金属光热致动器也无法满足需要多种动作的复杂应用，大大限制了光热致动器的应用。因此，构筑基于不对称热膨胀的可编程液态金属光热致动器并丰富其动作至关重要。      鉴于此，受植物卷须的启发，固体所研究人员通过引入聚四氟乙烯（PTFE）带作为“可以收缩和弯曲的原生质层”， 构筑了基于不对称热膨胀的可编程液态金属光热致动器。该可编程液态金属光热致动器具有形变大、响应快、稳定性优异和高承重等优点。研究人员进一步对该可编程液态金属光热致动器进行了建模，通过有限元分析（FEA）准确预测了弯曲形貌。基于初始形态的可编程性和模型预测，成功设计出具有爬行、滚动、游泳、抓取、搬运等多种功能的机器人。该工作为光热致动器的设计提供了新策略，并使得光热致动器未来在仿生系统和机器人领域的发展应用成为可能。      田兴友研究员和张献研究员为文章的共同通讯作者，博士生李宵飞为论文第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金、合肥物质研究院院长基金、中央引导地方科技发展专项基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202310380

图1. 受植物卷须启发构筑的可编程液态金属光热致动器。

图2. 基于初始形态的可编程性和模型预测，设计出具有爬行、滚动、游泳、抓取、搬运等多种功能的柔性机器人。