自然界生物通過感知外界環境變化并調節自身運動模式從而能夠更好地在周圍環境中生存，例如能夠感知被抓取物體的形態和壓力，并據此來調整運動的程度以準確抓握物體并避免對自身的傷害。就人體而言，實現這一功能主要是通過皮膚和肌肉的協作配合，皮膚可及時準確感知外界刺激，肌肉對其做出相應的驅動反應。受到這些功能的啟發，人們致力于利用各種軟材料來模仿構建這種兼具傳感和驅動功能的材料。水凝膠驅動器可在多種外界刺激下自發產生形變，具有良好的生物可容性，且對環境友好，在軟體機器人方面具有廣泛的應用前景。雖然目前已經報道了大量具有不同形變模式的水凝膠驅動器，但是這類材料通常僅具備驅動功能，驅動過程不能實現及時的數字化檢測與反饋，限制了其進一步發展。

近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員一直致力于智能變形水凝膠的研究（Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Research 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Small 2020, 2005461等），同時在柔性傳感器研究方面也有多年的積累（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Mater., 2020, 2004290; Nat. Commun., 2020, 11, 4359等）。近期受到人體皮膚和肌肉協同工作的啟發，開發了一種具有自傳感功能的軟驅動器。

該工作通過將聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝膠與超薄的Ecoflex彈性體/碳納米管（CNTs）Janus膜集成為一個三層復合結構以模仿肌肉與皮膚的協作功能。以PNIPAm水凝膠的溫度響應收縮與膨脹模仿肌肉的驅動行為，通過導電的Ecoflex/CNTs膜模仿皮膚的感知功能。同時借助CNTs的光熱轉換能力，當近紅外光照射時，PNIPAm水凝膠溫度升高，從而發生收縮形變。由于Ecoflex/CNTs膜不能在近紅外光照射下發生形變，驅動器為各向異性驅動，整體向PNIPAm水凝膠側彎曲，根據壓阻傳感機理，驅動器的形變會引起碳納米管導電網絡間接觸電阻的變化，從而實現利用電信號對變形功能的實時監測。根據監測結果，可以得知驅動程度并據此控制近紅外光照射時間，從而調控材料的變形行為。研究人員將該驅動器與其他機械部件結合，設計了可在近紅外光照射下抬起的模擬手臂和能抓取不同大小物體的機械抓手。在機械抓手抓取不同大小物體過程中，可通過電信號的反饋比較物體的大小并調節近紅外光照射的時間與強度。該工作成功地將傳感與驅動功能集成到一個三層復合結構中，實現了驅動傳感一體化，為開發新型智能集成軟機器人提供了新思路。

圖1 （a）受皮膚和肌肉啟發的驅動傳感一體化CNTs-Ecoflex/PNIPAm水凝膠部件圖示；（b）CNTs-Ecoflex/PNIPAm水凝膠部件的構建過程與結構示意圖

該工作以題為“symmetric bilayer CNTs-elastomer/hydrogel composite as soft actuators with sensing performance”的論文發表在Chemical Engineering Journal（2021, 415, 128988）。本研究得到了國家自然科學基金（51873223、52073295），中國科學院青年創新促進會（2017337），海洋新材料與應用技術重點實驗室開放基金（2020K05），寧波自然科學基金（202003N4359）等項目的支持。

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