黄维院士团队ACS Nano：新型同构异质Janus薄膜软执行器，实现多刺激响应智能驱动

摘要：近年来，软执行器在软机器人、医疗设备和智能传感器等领域展现出广阔的应用前景。这类器件通常采用双层结构，利用两层材料对外部刺激（如湿度、温度、光、电等）的不同响应来实现可控形变。然而，传统双层执行器因材料间结构不兼容、界面应变不匹配等问题，容易发生疲劳或断裂，严

近年来，软执行器在软机器人、医疗设备和智能传感器等领域展现出广阔的应用前景。这类器件通常采用双层结构，利用两层材料对外部刺激（如湿度、温度、光、电等）的不同响应来实现可控形变。然而，传统双层执行器因材料间结构不兼容、界面应变不匹配等问题，容易发生疲劳或断裂，严重限制了其使用寿命和可靠性。尽管已有研究致力于开发新型刺激响应材料以提升性能，但如何在高变形能力与结构稳定性之间取得平衡，仍是该领域面临的重要挑战。

近日，南京邮电大学黄维院士、谢燕楠教授、新加坡国立大学Xiao Xiao和新疆大学高歌副教授合作，提出了一种基于同构异质Janus（IHJ）薄膜的新型双层软执行器，成功将高驱动效率与优异的结构稳定性融为一体。该薄膜通过真空自组装工艺制备，由Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片与氧化石墨烯-细菌纤维素（GO-BC）复合层构成，具备良好的二维晶格匹配性和快速响应能力，能够在外界电、湿、光等刺激下通过水分子的吸附与释放实现可控形变，适用于多种软机器人应用场景。相关论文以“Bimorph Soft Actuators Based on Isostructural Heterogeneous Janus Films”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为Li Jiahui。

研究人员首先通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDX）对IHJ薄膜进行了结构表征。图1a展示了薄膜在外部刺激下发生弯曲的示意图，表明其具备可控形变能力；图1b为独立式IHJ薄膜的实物照片，显示出良好的自支撑性能；图1c–e分别展示了GO-BC侧、MXene侧和横截面的SEM图像，表明两层之间具有连续的层状结构，无明显界面问题；图1f的红外光谱进一步揭示了两侧表面丰富的含氧官能团和氢键作用，为后续的响应机制奠定了基础。

图1. IHJ薄膜的示意图与表征。 (a) 外部刺激下IHJ薄膜发生弯曲的示意图，表现出可控形变行为； (b) 独立式IHJ薄膜的照片，比例尺：2 cm； (c) GO-BC侧的SEM图像，比例尺：250 nm； (d) MXene侧的SEM图像，比例尺：50 μm； (e) 横截面SEM图像，比例尺：1 μm； (f) IHJ薄膜两侧的典型红外光谱。

图2进一步揭示了IHJ薄膜的形变机制。图2a–b展示了在刺激前后薄膜中水分子的保留与释放行为：在高湿环境下，GO-BC层吸水膨胀，薄膜向MXene侧弯曲；在刺激作用下水分子释放，GO-BC层收缩，薄膜反向弯曲。图2c的接触角测试表明GO-BC侧具有更强的亲水性。图2d的I–V特性曲线显示随着电压升高，层间距扩大，内部电阻增加。图2e–f通过XRD分析了在不同电压下MXene和GO-BC层(002)峰位的移动，进一步证实了层间距的变化。图2g–i通过分子动力学模拟展示了GO和MXene通道中水分子在不同温度下的迁移行为及其对层间距的影响，与实验结果高度一致。

图2. IHJ薄膜执行器的形变机制。 (a) 刺激前水分子的保留行为； (b) 刺激下水分子的释放行为； (c) 自然条件下IHJ薄膜两侧的吸水性能测试； (d) 在0.5–2.5 V电刺激下的正电流-电压（I–V）特性； (e) Ti₃C₂Tₓ MXene侧(002)峰位随电压的变化； (f) GO-BC侧(002)峰位随电压的变化； (g) 原始GO薄膜的水分子动力学模拟； (h) 原始MXene薄膜的水分子动力学模拟； (i) 基于理想模拟结果在加热下d间距随时间的变化。

图3系统研究了IHJ薄膜在执行器应用中的可控性能。通过调节悬臂与基座的尺寸比例（如l₁/l₂=7:3或9:1），可实现垂直或水平方向的弯曲（图3a–f）。图3g表明较短的悬臂更利于垂直运动，而较长的悬臂则倾向于水平弯曲。图3h–j展示了在不同电压（0.5–2.5 V）下薄膜的弯曲角度、曲率和响应时间，最高弯曲角度可达206°，响应时间低于10秒。图3k表明该执行器在2.5 V电压下连续循环100次后仍保持稳定，误差范围仅0.5–5°，显示出优异的耐用性。

图3. IHJ薄膜执行器的性能表征。 (a, b) 垂直方向弯曲的照片与红外热图像； (d, e) 水平方向弯曲的照片与红外热图像； (c, f) 垂直和水平方向下不同区域（sp1、sp2）的温度随时间变化； (g) 不同悬臂长度下的弯曲程度； (h) 0.5–2.5 V电压刺激下的照片； (i) 弯曲角度与动态曲率； (j) 时间响应曲线； (k) 2.5 V电压下100次循环的稳定性测试。

图4展示了IHJ薄膜在多刺激下的软机器人应用。图4a–c展示了一款“花机器人”，在2.5 V电压下可在10秒内完全开花，30秒内恢复闭合；图4d为基于湿度响应的“被动开关”，在高湿环境下自动接通电路，低湿时断开；图4e–f则模拟了“蠕虫机器人”在间歇红外光照下的爬行行为，每周期前进约0.45厘米，四周期后总移动距离达1.7厘米。这些应用充分展示了IHJ薄膜在执行复杂运动、环境感知和智能控制方面的潜力。