张永来《先进材料》：光操控微型石墨烯蜘蛛爬行运动

shengdan

众所周知，生物的各种运动离不开关节周围的肌肉不断发生收缩以及舒展的过程。在仿生机器人以及运动辅助仪器的设计中，模仿肌肉作用的驱动部位是实现运动的关键。目前，驱动器方面的研究集中于对驱动方法（如电动、气动、液动）或是环境刺激（如光、湿度、磁场）的控制，然而特定的驱动器件往往只能实现单一的变形。人们需要集成众多驱动器、配件，并进行精确的安装组建，才能实现复杂的运动，在这一过程中就会面临众多挑战：如制作工艺的复杂性、设计原理的可行性，成本等问题。于此同时，目前的仿生机器人多采用电驱动方式，需要集成能源部件，或者外接能源供给装置，使得系统在小型化方面受到制约。

近期，吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授与新加坡国立大学仇成伟教授共同探索，为了解决这些难题，他们利用石墨烯与金纳米棒复合材料制备了光敏感的仿肌肉驱动器件（holistic artificial muscle， HAM，如图1），运用巧妙的设计方法，在光驱动仿生机器人方面取得了突破性的进展。无须集成组装过程，就实现了复杂的肢体动作和多足运动。

图1：等离子体辅助石墨烯氧化物人工肌肉设计原理

这种快速有效的光控局部弯曲过程的物理机制介绍如下：石墨烯材料具有良好的导热性和机械性能，相比之下，石墨烯氧化物材料由于原子蜂窝状排布被破坏，导热性能大大降低。利用激光还原石墨烯氧化物的方法，可以对材料导热性能进行改性，实现“关节”部位导热性能改变。石墨烯、石墨烯氧化物材料都具有一定的负热膨胀系数，将其与具有较大热膨胀系数的PMMA材料结合，就可在光热条件下产生单一的圆弧状弯曲。利用激光局部还原石墨烯氧化物材料，改性区域的弯曲程度大大提高，响应时间加快，便可形成类似肌肉牵拉作用的关节弯曲效果。作者还加入了金纳米棒这一重要材料，利用其表面等离子体的作用，提升材料整体的光热转化效率，从而加速促进膨胀材料的形变。此外，金纳米棒材料独特的波长选择特性，为光驱动方法提供了除光强、时间外另一维度的调控方法，既波长调控。将掺入金纳米棒不同吸收波长的材料进行设计，就可实现不同“关节”部位的选择性弯曲。

作者利用这一原理，制作了并展示了微型仿生蜘蛛的爬行过程、仿生捕蝇草捕获过程，和仿生手各关节的逐一控制弯曲。充分体现了HAM设计的灵活性，降低了爬行机器人制作成本，并可实现大规模的制备。这一工作将对微型仿生机械运动提供巧妙设计理念，从而起到重要推动作用。

这一研究成果以 “Plasmonic-Assisted Graphene Oxide Artificial Muscles” 为题，近期发表在Advanced Material杂志上（DOI：10.1002/adma.201806386），并作为封面文章。吉林大学博士研究生韩冰为第一作者， 吉林大学张永来教授、新加坡国立大学仇成伟教授和清华大学孙洪波教授共同指导完成。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201806386