香港大学王立秋教授团队AM：“刚柔并济”仿生微纤维驱动器

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2021年4月20日 11:30

软体驱动器具有弹性、可连续变形、能顺应复杂环境以及具有高的安全性等诸多优势，在传感器、可穿戴设备、人造肌肉、生物医学和能源收集等诸多领域具有广阔的应用前景。为满足实际应用的需求（如医疗机器人等），软体驱动器应同时具备如下特性：（1）小型化以实现对有限密闭空间的最小侵入性访问；（2）“开”和“关”的状态具有较大的性能差异，既足够软以顺应各种几何环境，又足够硬以便能执行各种任务；（3）具有优异的驱动性能，如高能量密度、高驱动应变、高驱动应力和大举重比等；（4）可编程的变形能力。若具备上述特性，软体驱动器便可在执行任务时（如靶向药物递送/释放和微创手术）灵活地适应可能遇到的复杂和动态环境。然而，受限于设计和制造方法的不足，软体驱动器往往无法同时满足上述四个特性。

近日，王立秋教授团队通过将仿生学设计和微流控技术相结合，实现了 “刚柔并济”的微型软体驱动器。仿生设计原理结合了海参真皮和植物卷须的结构和功能特征，分别实现了“刚柔并济”和可编程形变的独立调控和协同设计，提高了软体驱动器的整体性能。液滴微流控技术实现了微纤维型软体驱动器的精确制备。

香港大学王立秋教授团队AM：“刚柔并济”仿生微纤维驱动器的图1

图1. （a-c）仿生驱动器的设计灵感，分别结合了海参真皮（a）和植物卷须（b）的性能；（d）驱动器变形的示意图；（e）微流控技术用于制备微型驱动器。（a）中海参照片作者为François Michonneau，按照CC BY 3.0许可使用，（b）中植物卷须照片作者分别为W. Carter（上，CC0，维基共享资源）和Jon Sullivan（下，维基共享资源）。

该仿生软体驱动器呈微纤维状，内部嵌入有序排列的不对称微颗粒条带。微纤维由海藻酸盐和硅藻土复合材料构成，海藻酸盐对湿度变化进行响应，硅藻土用于增强海藻酸盐水凝胶网络。不对称微颗粒材料为乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），对湿度不响应。当环境湿度变化时，不对称微颗粒两侧的微纤维产生不同程度的体积变化，从而发生形变。

驱动器在吸水和脱水状态下呈现出极大的机械性能差异，其杨氏模量、最大应力、最大应变、刚度等性能变化程度高达20-850倍，实现了刚柔并济的特性。因此，该驱动器可输出优异的机械功，其做功的能量密度、驱动应变和驱动应力分别超过天然肌肉4倍、>2倍和>30倍，并实现了高达17000倍的举重比（举起的载荷与驱动器的质量比）。

香港大学王立秋教授团队AM：“刚柔并济”仿生微纤维驱动器的图2

图2. （a）做功的能量密度和举重比；（b-d）提起重物；（e）驱动应变；（f-g）驱动应力；（h）驱动速率；（i-k）微型抓手。

由于其独特的核-壳结构设计，软体驱动器的形变程度在局部和全局尺度下均精确可调。利用微流控技术改变微纤维和微颗粒的几何形貌和尺寸，可进一步实现不同类型的可编程形变，如弯曲、扭转、收缩、滚动及其各种组合等。

香港大学王立秋教授团队AM：“刚柔并济”仿生微纤维驱动器的图3

图 3. （a-d）四种基本形变：弯曲、扭转、收缩、滚动;（e）不同形变的组合；（f）模拟植物藤蔓；（g-k）可逆形变。

这项工作提供了一种新的、通用的方法来设计和制造新型软体微型驱动器，相关成果以Bioinspired Soft Microactuators为标题发表在Advanced Materials上。论文的第一作者为朱平安博士，目前为香港城市大学机械工程系助理教授，通讯作者为香港大学王立秋教授，共同作者还包括哈佛大学Michael Aizenberg和Joanna Aizenberg教授。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008558

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