自然界中的生物由于其具有良好的適應(yīng)能力，能夠在復(fù)雜的自然環(huán)境中生存和繁衍，如能夠感知危險(xiǎn)信號(hào)，并據(jù)此來(lái)調(diào)整自身的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)以逃避危險(xiǎn)。賦予生物這種能力最重要的組成部分之一是具有感知和機(jī)械變形特征的軟組織，它能夠可逆地改變其外貌和行為。受到這些軟組織和功能的啟發(fā)，學(xué)界致力于開(kāi)發(fā)軟材料以構(gòu)建比色傳感器/驅(qū)動(dòng)器、電子皮膚和氣動(dòng)/液壓驅(qū)動(dòng)偽裝系統(tǒng)等。彈性體由于其固有的柔韌性、彈性和可拉伸性，能夠較好模擬生物系統(tǒng)和功能，而且對(duì)環(huán)境友好，是一種具有較好前途的仿生軟材料。雖然目前，學(xué)界已大量研究了具有類皮膚可拉伸變形行為的彈性體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但仍缺乏在同一個(gè)系統(tǒng)中感知和變形/運(yùn)動(dòng)能力的協(xié)同作用，這導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器不能像生物體一樣根據(jù)外界的刺激響應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)自身行為。

基于中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤課題組在柔性傳感器和軟驅(qū)動(dòng)器方面的研究基礎(chǔ)（Adv. Mater. 2020，2004290；Nat. Commun. 2020，11，4359；Angew. Chem. Int. Ed. 2019，58，16243；J. Mater. Chem. A 2019，7，26631；ACS Nano 2019，13，4368；Nano Energy 2019，59，422；Adv. Funct. Mater. 2018，28，1704568；Chem. Mater. 2018，30，4343；J. Mater. Chem. C 2018， 6，5140；J. Mater. Chem. C 2018，6，6666等），并受到小丑魚(yú)魚(yú)鰾同時(shí)具有感知和變形驅(qū)動(dòng)功能的啟發(fā)，研究人員開(kāi)發(fā)出一種水下自感知的軟驅(qū)動(dòng)器。

該研究通過(guò)在水/空界面制備超薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和PDMS/碳納米管（CNTs）Janus膜，由于其良好的自適性和粘性，通過(guò)將上述薄膜無(wú)縫轉(zhuǎn)移集成為一個(gè)三明治復(fù)合膜，以模仿魚(yú)鰾膜。以可拉伸的彈性PDMS基體模仿魚(yú)鰾的充氣/放氣變形行為，用導(dǎo)電CNTs網(wǎng)絡(luò)薄膜模仿魚(yú)鰾具有類似皮膚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感知功能。由于復(fù)合薄膜良好的彈性、自適性和保形性，它可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至一個(gè)中空的模型上以形成自封閉的人工魚(yú)鰾。外界氣壓變化會(huì)引起復(fù)合膜發(fā)生膨脹或凹陷變形。根據(jù)壓阻傳感機(jī)理，復(fù)合薄膜的這種形變會(huì)引起碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)間接觸電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變形行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)將整個(gè)系統(tǒng)置于水中時(shí)，可以用膜的膨脹和凹陷行為模仿魚(yú)鰾的充氣/放氣行為，通過(guò)調(diào)節(jié)外界氣壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在水中上下運(yùn)動(dòng)行為的精確控制，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程也可通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的監(jiān)測(cè)感知，并根據(jù)感知信號(hào)執(zhí)行氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)行為。因此，該研究將傳感和驅(qū)動(dòng)功能集成到一個(gè)三明治復(fù)合膜中，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同仿生行為，在智能集成軟機(jī)器人方面展示出潛力。

相關(guān)研究成果以Biomimetic Underwater Self-Perceptive Actuating Soft System Based on Highly Compliant, Morphable and Conductive Sandwiched Thin Films為題，發(fā)表在Nano Energy上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院國(guó)際合作局、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

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圖1.（a）小丑魚(yú)由魚(yú)鰾充氣/放氣行為引起的上浮/下潛運(yùn)動(dòng)示意圖；（b）真實(shí)魚(yú)鰾經(jīng)冷凍干燥后的SEM圖像；（c-d）在空氣/水界面制備超薄PDMS和CNTs/PDMS Janus膜的示意圖，以及將二者集成為一個(gè)三明治自感知彈性復(fù)合膜（PCP）的制作過(guò)程示意圖；（e）PCP膜的結(jié)構(gòu)示意圖；（f）驅(qū)動(dòng)變形和傳感的協(xié)同作用示意圖；（g-h）CNT /PDMS Janus膜在分別水側(cè)和空氣側(cè)的掃描電鏡圖；（i-j）PCP膜的截面掃描電鏡圖（i）和二維拉曼圖（j）

圖2.（a）人工魚(yú)鰾氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的示意圖；（b）人工魚(yú)鰾驅(qū)動(dòng)器在下潛/上浮過(guò)程中的照片，箭頭的方向表示運(yùn)動(dòng)的方向；（c）用人工魚(yú)鰾去模仿魚(yú)的感知及運(yùn)動(dòng)行為，當(dāng)人工魚(yú)鰾感受到外界的危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，可以據(jù)此去引導(dǎo)和追蹤其進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)；（d）人工魚(yú)鰾驅(qū)動(dòng)器感知的水下位置；（e）人工魚(yú)鰾驅(qū)動(dòng)器在重復(fù)下潛/上浮過(guò)程中的實(shí)時(shí)信號(hào)記錄