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成果简介

碳纳米材料的特殊性能为智能软执行器的设计开辟了新途径，并带来了有吸引力的驱动性能。它们在红外到可见波段的光学和热学特性确保了有效的光热转换，以制造光驱动致动器。一些具有优异导电性和导热性的碳纳米材料可用作电极或可分散填料，以促进电活性驱动过程；一些具有良好电热特性的可以被探索来制造电热致动器（ETA）；并且具有高亲水性或疏水性的那些可能有利于湿度响应致动器的合成。此外，碳纳米材料的低弯曲刚度、高面内强度和高比表面积为提高复合材料的机械拉伸强度和抑制驱动过程中的断裂和分层提供了有希望的策略基于碳纳米材料的软致动器具有灵活和灵巧的变形特征，包括对自然界中的光、电和湿度的刺激。例如，电响应执行器操作简单，可控性高，而光和湿度响应执行器通常采用无线驱动和远程控制，可用于构建各种仿生器件和微软机电系统。

合肥工业大学常龙飞（第一作者）、胡颖（通讯作者）等研究人员在《ChemPlusChem》期刊发表名为“SoftActuatorsBasedOnCarbonNanomaterials”的论文，这篇简短的综述追溯了基于碳纳米材料的各种执行器的新兴但极具前景的跨学科研究，全面涵盖了这些有利的材料或结构设计及其工作机制的令人兴奋的成就。根据响应刺激的变化，将执行器简要分为光驱动、电驱动、湿度驱动和多响应驱动。此外，将据此提出该领域的前景和未来可能的探索，以供日后参考。

图文导读

2.1光驱执行器

光在自然界中是一种容易获得的绿色环保能源。直接响应光的软致动器为自然驱动设备的设计投射出有吸引力的光。在目前的研究中，大多数光驱动致动器是通过具有高光热转换效率的材料组件将光能转换为热能和分层的体积不匹配结构以产生机械变形来实现的。基于碳纳米材料的光驱动致动器具有良好的生物相容性、红外对可见光波段的高灵敏度、小甚至负的热膨胀系数（CTE）等优点，与传统的驱动器相比，在生物系统和医学领域显示出更大的潜力。例如光敏形状记忆聚合物。

具有广泛不同CTE的材料组合，例如碳基/聚合物复合材料，可以呈现出色的光热驱动性能。在光照下，具有高效光热转换性能的碳基基体可以快速提高复合材料的温度，而通常具有较大CTE的聚合物会剧烈膨胀，导致材料界面处明显的应变失配和因此致动器的弯曲应变很大。例如，Niu等人。在聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）中均匀分散的石墨烯纳米片（GNP）和制造的GNP-PDMS/PDMS双层膜致动器。在近红外(NIR)光照射下，沿厚度方向的温度梯度会导致致动器出现不同的弯曲模式。通过预先控制碳纳米管的不同取向，可以实现向光、向日光弯曲或三维螺旋屈曲。此外，可以通过控制照明区域的百分比和CNT对齐之间的间隙来实现可调操作。

图1、Deng等人的基于预编程排列的纳米结构的可调光热致动器的机制说明。

图2、Hu等人的自主自走式执行器的执行图

2.3电动执行器电刺激的调控技术已经成熟，是当今应用最广泛的能源之一。电力驱动的软执行器可以将电能转化为机械能，为实现复杂变形提供了一种便捷的方式。

图3、（a-c）Tabassian等人制备功能拮抗混合电极和驱动机制的示意图。(d)Lu等人的高性能基于石墨二炔的电化学致动器。石墨二炔致动器的致动机制示意图。光学图像显示了0.1Hz时2.5V以下的弯曲致动器

将形状记忆特性与电激活相结合，为制备高性能三维结构致动器提供了一种有效的策略。具有形状记忆特性的ETA可以通过将碳基材料掺杂到形状记忆聚合物中来制备。肯尼斯等人。通过在CNT/Kapton双层致动器中添加MPCL（一种热敏形状记忆聚合物）作为第三层，制造了CNT/Kapton/可光聚合的甲基丙烯酸化聚己内酯（MPCL）三层致动器。加入热敏形状记忆聚合物后，三层驱动器在相同电场下产生更大的弯曲，驱动器可以预编程成“三角形”、“蜗杆”等三维结构。在电场作用下，执行器的形状随着温度的升高而逐渐变化，最终的执行器形状与初始形状完全可逆。刘等人。将CNT添加到聚乳酸（PLA）中，并利用4D打印技术制造了具有形状记忆特性的CNT/PLA丝状致动器。在上述致动器中，碳基材料作为能量转换器，有效地将电能转化为热能，并提供了产生机械能的重要媒介。

2.4湿度驱动执行器湿度驱动执行器利用水分吸附和解吸产生机械输出，可用于监测环境湿度的变化。那些具有亲水性或疏水性官能团的碳材料已被研究为基于湿度变化期间的体积失配设计分层致动器的优秀组件。例如，董等人。报道了一种GO/PPy双层膜致动器，其中GO层可以根据吸水量膨胀或收缩，而PPy层保持不变。当相对湿度增加时，致动器向PPy层弯曲。高等人。设计了具有不对称梯度结构的GO/聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA），其中PMMA纳米球沿着GO层的厚度分布

图4、(a)Zhang等人的GO/SA复合膜致动器的交联机制和化学结构变化示意图。吸水和解吸后。（b-c）由Ge等人驱动的均质氧化石墨烯致动器。d-i）Mao等人的受珍珠层启发的湿气响应石墨烯致动器

2.5多响应执行器在整个工业化过程中，一直致力于模仿自然行为。对多样化复杂现实生态环境的快速精细驱动为软致动器的设计提供了很多灵感，其中多响应致动器的出现是仿生研究的重要进展。碳纳米材料的光热、电热和亲水/疏水特性的共存适应了不同的设计策略，并且似乎是制造多响应致动器的完美元素。大多数使用具有良好电热性能的碳纳米材料作为加热层的软执行器，尤其是CNT和RGO，可以对光和电压都有响应。例如，Yang等人。制备了具有气囊微结构的海绵RGO(SRGO)，并与PI粘合制成SRGO/PI双响应致动器，这得益于SRGO优异的光热、电热性能和PI的热膨胀。致动器在16V低压下在5秒内产生弯曲曲率0.55cm-1的大变形，在光照射(mW/cm2)下10秒后产生0.45cm-1的弯曲曲率。

图5、(a-b)Zhou等人的CNT-paper/BOPP双层薄膜的驱动机制说明。(c)致动器制造过程的示意图。(d)激光工艺下GO的横向还原梯度示意图。(e)三层结构的多响应驱动示意图

小结

在这篇综述中，我们对软智能驱动器进行了简要介绍，特别

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