清华大学Adv. Mater.:激光诱导石墨烯用于电热控制、力学引导、3D组装和人机交互

【背景介绍】

三维细微观结构在微电子器件，光电子，微机电系统，生物医学等领域展现了重要的应用前景。现有的三维结构制备技术主要包括3D打印技术、模板化生长技术、射流自组装技术和力学引导的屈曲组装技术。在这些方法中，力学引导的屈曲组装技术最近引起了科学界的广泛关注。这一组装过程从制备平面图案化2D前驱体结构开始，然后通过控制结构折叠、弯曲和/或屈曲等进行2D-to-3D形状转换。该工艺与现有的先进平面制造技术（如光刻和激光加工技术）自然兼容。因此，微/纳米结构、传感器和/或其他功能组件可以无缝集成到3D架构中。

力学引导的三维组装技术的进一步发展要求能够按需和可逆地控制三维构型的重构，这对于许多新兴应用来说是非常理想的，例如响应性超材料、软体机器人和可调谐光学。目前，许多有前途的驱动材料如介电弹性体、形状记忆聚合物、聚合物复合材料和水凝胶等，它们可以由电、热、光、磁、溶剂、湿度和/或多种刺激物驱动。然而，这两种策略分别在高工作电压（数千伏）和低可逆性和循环性方面有一定的局限性。其次，现有的电热控制三维组装研究大多缺乏合理的设计方法和装配策略来实现复杂几何结构的三维重构。此外，人体和柔性执行器/机器人之间的相互作用也还没有得到很好的研究。石墨烯由于其优异的电、热、机械性能，是柔性电热执行器中理想的热功能材料。利用二氧化碳（CO₂）激光处理可以在大气中将各种聚合物薄膜转化为多孔石墨烯，即激光诱导石墨烯（LIG），其已经在柔性电子、人工喉、超级电容器和细菌空气过滤器中的应用得到了很好的探索。然而，LIG在电驱动、电热控制、力学引导的三维组装等方面仍未有相关的进展，其具有很好的研究前景。

【成果简介】

最近，清华大学张一慧教授和密苏里大学-哥伦比亚分校闫政教授团队合作报道了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）的柔性电热执行器的设计、制备和建模，并探讨了其在力学导引的3D组装和人体-柔性执行器交互中的应用。作者展示了超过20个复杂的3D结构，其中包括可重构的结构，即可以在三个不同的几何结构中可逆切换。此外，作者还通过在高温下制备LIG驱动器，可以在室温下保持3D形状而无需任何驱动。经有限元分析可以定量地捕捉电热控制形状转换的关键方面，从而为快速优化设计提供可靠的工具。此外，作者还探讨了它们在人体-柔性执行器交互中的应用，包括具有带隙行为的人体手势控制的弹性超材料和能够按需测量人体心电图的柔性机械手指。同时，作者也演示了包括人工肌肉（可以举起大约110倍自身重量的物体），以及仿生青蛙舌头（可以捕食昆虫）等相关应用。相关成果以“Laser-Induced Graphene for Electrothermally Controlled, Mechanically Guided, 3D Assembly and Human‐Soft Actuators Interaction”发表于Adv. Mater.期刊上。

【图文导读】

图一、基于LIG的柔性电热执行器的制备、表征和建模

（a）制备工艺示意图；

（b）LIG的SEM图像；

（c）LIG的Raman光谱；

（d）LIG执行器最大弯曲角与驱动电压的关系；

（e）2V方波驱动的LIG执行器的循环驱动及相应的弯曲角变化；

（f~k）光学图像和有限元分析预测，f）环形和i）花状结构由整体弯曲实现，g）方形和j）环形山状结构由折纸启发的局部弯曲实现，h）方形和k）脊状结构由剪纸艺术启发的局部弯曲实现。

图二、由电热驱动触发的一系列力学组装三维结构的实验和计算研究

四个具有a）混合带和膜、b）十二个结合在LIG执行器上的3D结构、c）和三个示例的2D前驱体、FEA预测和光学图像，其最终几何结构可通过LIG驱动器的时序驱动来控制。

图三、制备过程中由热应力引起的双向形状转变的实验和计算研究

（a）在高温（≈150°C）下固化PDMS从而在LIG驱动器上产生热应力的方案；

（b）在室温下，U形LIG执行器在无驱动的情况下向PDMS侧弯曲约360°时，在10 V驱动时变平，在20 V驱动时向PI侧弯曲约300°；

（c~d）c）三维结构的光学图像和d）有限元分析预测，该结构可以在室温下保持三维花状几何结构而无需驱动（左），并在电热驱动下重新配置为平面（中）和风车状结构（右）。

图四、人体-柔性执行器交互演示

（a~d）通过实时的肌电图监测，a）人的姿态被用来控制，b）花状结构的3D组装，c）弹性材料的构型重构，d）可调带隙行为；

（e）一种柔性机器人手指，它可以按需可逆地包裹人的手指进行心电图测量。

【小结】

综上所述，作者通过理论模拟和实验验证相结合的方法，系统地研究了基于LIG的柔性电热制动器，并探索了其在力学引导、按需、可重构三维组装和人机交互中的应用。作者以有限元分析为设计优化的基础，成功构建了20多个复杂的三维结构。作者通过在制备过程中引入热应力，实现了无需电热驱动就能在室温下保持三维形状的结构。此外，作者还展示了它们在人工肌肉中的应用，这种肌肉可以举起约110倍自身重量的物体，模拟可以捕食昆虫的仿生青蛙舌头，可通过人的手势控制带隙行为的弹性超材料，以及制作能够以一种按需和可逆的方式测量来自人类手指的心电信号的软机器人手指。这种具有按需、可逆、构型可重构能力的基于LIG的柔性电热执行器，有望成为许多新兴应用（如响应性超材料、软机器人技术）发展的新方向。

文献链接：Laser-Induced Graphene for Electrothermally Controlled, Mechanically Guided, 3D Assembly and Human‐Soft Actuators Interaction（Adv. Mater.2020, 1904331）

本文由我亦是行人编译。

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