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  軟體驅(qū)動(dòng)器在軟體機(jī)器人，傳感器，智能控制，人工智能和視覺智能領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。通過拉伸、收縮、和扭轉(zhuǎn)變形的組合，可以實(shí)現(xiàn)不同類型的運(yùn)動(dòng)，例如彎曲，滾動(dòng)和跳躍。軟體機(jī)器人需要柔性驅(qū)動(dòng)器，例如通過人工肌肉舉起或移動(dòng)物體來執(zhí)行某些工作。另外，在高級智能系統(tǒng)的開發(fā)中，還需要集成感知、信號(hào)傳輸和控制功能的驅(qū)動(dòng)器，這進(jìn)一步激發(fā)了對多功能驅(qū)動(dòng)器的需求。

  南開大學(xué)劉遵峰教授等人最近在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表的綜述“Progresses in Tensile, Torsional, and Multifunctional Soft Actuators”，總結(jié)了可以執(zhí)行拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的各種類型的軟驅(qū)動(dòng)器，包括加捻纖維、形狀記憶高分子、水凝膠、液晶高分子、導(dǎo)電聚合物以及天然材料等。此外，該綜述還列舉了用于可以實(shí)現(xiàn)提升物體的彎曲或滾動(dòng)變形的驅(qū)動(dòng)器的示例，并且總結(jié)了有關(guān)多功能柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)合傳感和信號(hào)傳輸功能的最近報(bào)道。最后，該綜述總結(jié)了各種驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)以及挑戰(zhàn)，包括可以實(shí)現(xiàn)拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的不同方式，不同的材料以及用于提升或移動(dòng)物體的設(shè)計(jì)，以及具有驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)功能的多功能驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)造。

1、纖維人工肌肉

  具有捻曲結(jié)構(gòu)的纖維人工肌肉可以通過對纖維加捻來產(chǎn)生拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，而將該加捻纖維盤繞成彈簧狀則可以增大其伸縮驅(qū)動(dòng)的行程。該部分首先總結(jié)了纖維人工肌肉的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，而后列舉并討論了通過不同刺激（例如熱、溶劑吸收或滲透、電化學(xué)、和光刺激等）驅(qū)動(dòng)的纖維驅(qū)動(dòng)器。

△熱膨脹驅(qū)動(dòng)的加捻纖維人工肌肉。 圖A為捻曲纖維人工肌肉及其前體尼龍6,6單絲的光學(xué)圖像。圖B為熱驅(qū)動(dòng)雙壓電晶片纖維人工肌肉的熱拉伸過程。圖C為用于拉伸和扭轉(zhuǎn)致動(dòng)的捻曲纖維人工肌肉的結(jié)構(gòu)。從左到右分別是伸縮驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)固定螺旋纖維，可逆扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)固定捻曲纖維，不可逆扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的非固定加捻纖維，以及不可逆中間扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的纖維。圖D為鎳鈦合金絲人工肌肉的工作機(jī)制示意圖。纖維底部黃色部分為鍍金的鎳鈦合金絲。

2、形狀記憶高分子

  形狀記憶高分子是驅(qū)動(dòng)器中一類重要的組成部分，可以顯示出拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。通過預(yù)變形及升溫固定聚合物鏈，可以設(shè)定聚合物的暫時(shí)形狀；升溫使聚合物鏈重新激活，形狀恢復(fù)為變形前的形狀。形狀記憶高分子可以顯示單向和雙向驅(qū)動(dòng)，具體情況取決于不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的可逆或不可逆的交聯(lián)點(diǎn)。

△形狀記憶高分子及其在人工肌肉中的應(yīng)用。 圖A為由兩種具有不同熔融溫度的聚合物構(gòu)成的物理交聯(lián)形狀記憶高分子。圖B為具有cPEVA(交聯(lián)聚乙酸乙烯酯)的形狀記憶高分子具有寬熔融溫度范圍，可以提供梯度交聯(lián)。圖C為由PCL(聚己內(nèi)酯)和PTMEG(聚四亞甲基醚二醇)構(gòu)建的具有互穿網(wǎng)絡(luò)的形狀記憶高分子。

3、介電彈性體驅(qū)動(dòng)器

  介電彈性體驅(qū)動(dòng)器是一種由電活性聚合物薄膜構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器，具有變形速度快、驅(qū)動(dòng)應(yīng)變大、輕便等優(yōu)勢，在軟體機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。通過在介電聚合物薄膜兩側(cè)的電極上施加電壓，在靜電吸引力的作用下沿膜厚度方向壓縮，同時(shí)膜橫向尺寸增大。堆疊多層聚合物薄膜或使用管狀結(jié)構(gòu)及“彈簧輥”結(jié)構(gòu)可以放大驅(qū)動(dòng)行程、實(shí)現(xiàn)伸縮驅(qū)動(dòng)，并提供較大的驅(qū)動(dòng)力。

△拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的介電彈性體驅(qū)動(dòng)器。 圖A為單軸預(yù)應(yīng)力硅樹脂薄膜的線性驅(qū)動(dòng)示意圖。圖B為將預(yù)拉伸的薄膜卷成螺旋彈簧軸的示意圖，該膜單軸驅(qū)動(dòng)長度隨響應(yīng)電壓的變化而變化。圖C為管狀介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的單向延伸。圖D為CNT@rubber@CNT@fiber介電彈性體扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的示意圖及其扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、拉伸驅(qū)動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)速度與加捻密度的關(guān)系。圖E為堆疊的多層介電彈性體驅(qū)動(dòng)器。

4、水凝膠材料

  水凝膠因其柔軟的特點(diǎn)在軟體機(jī)器人應(yīng)用中具有巨大前景。作為一種重要的刺激響應(yīng)材料，可以在如溫度、pH等外部刺激下產(chǎn)生形狀變化。這種形變是由于聚合物鏈的形態(tài)變化導(dǎo)致在溶劑中的溶解度改變而引起的。最近的研究發(fā)現(xiàn)，其他類型的刺激，例如濕氣、溶劑和磁場也可使水凝膠產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。

△熱響應(yīng)的拉伸和扭轉(zhuǎn)水凝膠驅(qū)動(dòng)器。 圖A為用于加熱驅(qū)動(dòng)的雙層PNIPAM-PAA/ SA（聚(N-異丙基丙烯酰胺)-聚丙烯酸/海藻酸鈉）彈簧纖維線圈的示意圖，可分別實(shí)現(xiàn)收縮和伸長驅(qū)動(dòng)。圖B為納米片之間的靜電力作用示意圖。

5、液晶高分子

  液晶高分子是一種重要的驅(qū)動(dòng)器，也可以完成拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，這是通過在熱或光驅(qū)動(dòng)時(shí)從向列相轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲韵鄟韺?shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)前通過多種方式（包括拉伸取向、表面取向等）對液晶高分子前體進(jìn)行加工，可以實(shí)現(xiàn)液晶高分子的熱/光驅(qū)動(dòng)的伸縮或扭轉(zhuǎn)。液晶高分子還顯示出不可逆和可逆的致動(dòng)，取決于是否存在驅(qū)動(dòng)期間不會(huì)被破壞的其他交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

△可旋轉(zhuǎn)及伸縮的液晶高分子驅(qū)動(dòng)器。 圖A為三明治結(jié)構(gòu)的液晶彈性體膜組成的管狀驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)示意圖。圖B為用液晶彈性體墨水熱直寫制備液晶彈性體材料的示意圖。圖C為對液晶彈性體前體同時(shí)進(jìn)行“焊接”和“取向”，以獲得具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)變形的液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器。

6、導(dǎo)電聚合物

  導(dǎo)電聚合物可以作為電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)給聚合物施加電壓時(shí)，它展現(xiàn)出可逆的伸長驅(qū)動(dòng)行為，當(dāng)移除電壓時(shí)又可以恢復(fù)原狀。使用不同類型和結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物可以提升驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程，驅(qū)動(dòng)力和做功能力。導(dǎo)電聚合物纖維也可以用來設(shè)計(jì)可穿戴的人工肌肉紡織品。

△導(dǎo)電聚合物驅(qū)動(dòng)器。 圖A為導(dǎo)電聚合物致動(dòng)機(jī)制的示意圖。圖B為PPY / DBS（聚吡咯/十二烷基苯磺酸）纖維驅(qū)動(dòng)器在還原態(tài)和氧化態(tài)之間徑向膨脹和收縮的示意圖。圖C為導(dǎo)電織物驅(qū)動(dòng)器的圖示以及通過杠桿臂提升負(fù)載的應(yīng)用。該紡織品是由涂有導(dǎo)電聚合物的纖維素紗線制成的。

7、天然材料

  除了合成材料，一些天然材料在受到外部刺激的時(shí)候（主要是濕度影響）也可以產(chǎn)生拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，比如蜘蛛絲和蠶絲等。對于蜘蛛絲來說，扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)依賴于天然纖維材料內(nèi)部的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)它還表現(xiàn)出可逆和不可逆的伸縮驅(qū)動(dòng)。蜘蛛絲暴露在濕氣中可以觀察到不可逆的超收縮現(xiàn)象，同時(shí)由吸收水分造成的體積膨脹也可產(chǎn)生可逆驅(qū)動(dòng)。利用蜘蛛絲的“固-液”過渡效應(yīng)可以設(shè)計(jì)一種可逆驅(qū)動(dòng)，蜘蛛絲在這個(gè)過程中會(huì)在液滴中彎曲并收縮成線圈。

8、多功能驅(qū)動(dòng)器

  文章在這一部分總結(jié)了能夠監(jiān)測形變時(shí)變形大小的多功能驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)展。拉伸和彎曲驅(qū)動(dòng)器都可以與應(yīng)變傳感器集成在一起，通過感應(yīng)電阻或者電容的大小測量驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的形變改變了應(yīng)變傳感器的電阻或者電容，從而改變輸出的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測量。

△集成了應(yīng)變感應(yīng)功能的多功能驅(qū)動(dòng)器。 圖A為使用可拉伸的CNT@rubber@CNT@fiber電容型應(yīng)變傳感器，測量高分子螺旋纖維人工肌肉的應(yīng)變的示意圖。圖B為基于紙張的磁響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的示意圖。圖C為光驅(qū)動(dòng)多傳感式graphite/ CNT / PVDF / PDG（石墨/碳納米管/聚偏氟乙烯/聚多巴胺還原氧化石墨烯）薄膜驅(qū)動(dòng)器的示意圖。圖D為石墨烯微管網(wǎng)集成自感應(yīng)離子柔性驅(qū)動(dòng)器的示意圖。圖E為濕度驅(qū)動(dòng)的單層氧化石墨烯驅(qū)動(dòng)器的示意圖，其中用于應(yīng)變傳感的還原氧化石墨烯線通過激光還原氧化石墨烯得到。

  文章在最后一部分中還舉例說明了拉伸和扭轉(zhuǎn)人工肌肉在未來的可能應(yīng)用，例如可用來舉起物體或與人造骨骼和關(guān)節(jié)連接。 此外，人工肌肉還可以用于運(yùn)輸和混合液體或用作發(fā)電機(jī)或傳感器，該綜述有助于讀者通過跨學(xué)科研究，實(shí)現(xiàn)不同類型的驅(qū)動(dòng)器來提供更多的可能。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202007437