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合工大胡颖/中科院上硅所王冉冉 AFM：面向仿生软体机器人应用的高性能MXene/CNT电化学驱动器

        离子在肌肉的收缩控制等生命活动中具有关键作用。与人体肌肉运动相类似，离子型电化学驱动器能够在电场作用下通过内部离子的迁移产生机械变形，将电能转化为机械能，具有低电压驱动、质量轻、易加工、可控性高等优点，在软体机器人、人工肌肉、人机交互等应用领域具有重要价值。然而，受到电极材料结构和特性的影响，目前离子型电化学驱动器在空气中的电驱动性能仍然有限，制约了其在应用领域的进一步发展。


        近日，合肥工业大学胡颖教授与中国科学院上海硅酸盐研究所王冉冉研究员合作，开发了一种基于MXene /碳纳米管异质结构电极的离子型电化学驱动器，实现了低电压刺激下的高性能弯曲变形，并探索了该驱动器在触控操作柔性人工手指、软体机器人等领域的应用。


        研究人员将Ti3C2Tx MXene纳米片与羧基化碳纳米管（CNT）相复合，利用酯化反应，制备了MXene/CNT二维/一维异质复合结构材料（图1）。其中，CNT的掺入增加了MXene层的层间距，提高了其机械稳定性。与纯MXene薄膜相比，MXene/CNT复合材料具有更丰富的孔径分布以及更大的比表面积，可以为离子提供更多有序的通道和存储空间，有利于内部离子迁移和储存以及电化学驱动，进而能够实现以MXene/CNT为电极的电化学驱动器的快速响应和大变形。

 

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图1. MXene/CNT异质结构电极的制备及表征


        进一步研究表明，MXene/CNT电化学驱动器相比于纯MXene电化学驱动器具有更加出色的电化学性能。当MXene与CNT质量比为1:1时，MXene/CNT驱动器的比电容可达151.5 F/g。得益于优异的电化学性能和力学稳定性，该驱动器在空气中2.5V低电压的刺激下能够产生高性能机械变形（图2），包括较大的弯曲位移（24mm）和应变（1.54%）、宽频率响应（0.1 – 15 Hz）、高输出力（5 mN）和良好的循环稳定性（10000次）。


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图2 MXene/CNT驱动器的电驱动性能

 

        由于类似于超级电容器的离子迁移变形机制，离子型电化学驱动器在其表面具有带电离子，可以模仿人类的手指来对智能手机和平板电脑等智能设备上的屏幕进行触控操作。用MXene/CNT电化学驱动器构建人工手指，可在低电压刺激下上触碰智能手机屏幕上的号码来实现拨打电话的操作（图3，视频1）。此外，该驱动器还可以对智能手机中电子鼓软件进行变频敲击，并且其敲击频率可以通过控制刺激电压的频率来改变（图4a）。当施加1Hz以及10Hz的2.5V交变电压后，该驱动器以1Hz和10Hz的频率敲击了电子鼓（图4b, 4c，视频2）。更进一步，通过提高驱动电压的频率，还实现了13Hz的敲击（图4d）。这个频率能超过正常人类手指在智能手机上的正常敲击频率（约7.5 Hz）（图4e）。除了单根人工手指的操作外，还可以使用两个MXene/CNT驱动器来实现了两根手指的协同依次敲击（图4f，视频3）。


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图3. MXene/CNT驱动器模仿人类手指拨打电话


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图4. MXene/CNT驱动器模仿人类手指，在智能手机以可调频率敲击电子鼓


        此外，研究人员还进一步探索了MXene/CNT驱动器仿生应用。由四片驱动器组成的仿生机械爪可以在6秒内抓取、移动并放下自身重量6倍的物体（图5a）。利用驱动器大变形、易裁剪的优势，将其裁剪蜻蜓翅膀的形状，制备了仿蜻蜓机器人,在施加电压后可以模拟蜻蜓拍打翅膀的动作（图5b，视频4）。同时，利用电化学驱动器的驱动电压低的特点，结合太阳能电池，实现了基于该驱动器的人工树叶在光照下的可逆变形（图5c, 5d，视频5）。


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图5. MXene/CNT驱动器的仿生应用


        总结：该工作开发了一种大变形、宽频率响应、驱动稳定性较好的基于MXene/CNT异质结构电极的离子型电化学驱动器。并实现了其在人工手指触控操作、软体机器人等的仿生应用。尤其是该驱动器敲电子鼓的频率可达到13Hz，能超过真人手指所达到的敲击频率。该研究结果揭示了电极的微观结构设计在离子型驱动器中的重要作用，也表明了离子型电化学驱动器在人机交互、仿生机器人等领域具有良好的应用前景。


        以上研究成果以“High-Performance MXene/Carbon Nanotube Electrochemical Actuators for Biomimetic Soft Robotic Applications”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。合肥工业大学硕士生张伟为论文的第一作者，合肥工业大学胡颖教授、中国科学院上海硅酸盐研究所王冉冉为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基础科研基金、安徽省自然科学基金等项目的大力支持。

 

参考文献：

[1] W. Zhang, K. Jin, Z. Ren, L. Li, L. Chang, C. Zhang, R. Wang, B. Li, G. Wu, Y. Hu. High-Performance MXene/Carbon Nanotube Electrochemical Actuators for Biomimetic Soft Robotic Applications. Adv. Funct. Mater. 2024, 2408496.


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