在光合作用過(guò)程中，具有精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能組件的天然葉子可以收獲太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為能量的化學(xué)燃料。生物能源生產(chǎn)為材料科學(xué)家提供了一種新的生物啟發(fā)范例，可以產(chǎn)生許多自主系統(tǒng)，包括光觸發(fā)運(yùn)動(dòng)。在最近的一份報(bào)告中，Guofo Cai及其材料科學(xué)與工程，航天科學(xué)與力學(xué)，化學(xué)工程系的同事們開(kāi)發(fā)了一種基于MXene(Ti 3 C 2 T x) - 纖維素復(fù)合材料(MXCC)的前所未有的雙層致動(dòng)器。)和聚碳酸酯(PC)膜。

該設(shè)備模仿了葉子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并顯示了與光合作用類(lèi)似的能量收集和轉(zhuǎn)換能力。雙層致動(dòng)器包含非常理想的特征，包括：多響應(yīng)，低功率驅(qū)動(dòng)，快速驅(qū)動(dòng)速度，大型變形，穩(wěn)定性和可編程適應(yīng)性 - 非常適合現(xiàn)代軟驅(qū)動(dòng)器智能系統(tǒng)。蔡等人。相信這些自適應(yīng)軟系統(tǒng)將成為革命性技術(shù)，構(gòu)建軟機(jī)器人，智能開(kāi)關(guān)，信息加密，紅外動(dòng)態(tài)顯示，偽裝和溫度調(diào)節(jié)。他們?cè)O(shè)想了該技術(shù)的其他用途，以開(kāi)發(fā)人體機(jī)器接口，如觸覺(jué)。該研究現(xiàn)已發(fā)表于科學(xué)進(jìn)步。

材料科學(xué)家研究了材料和器件，這些材料和器件可動(dòng)態(tài)改變形狀，尺寸和電氣/ 機(jī)械性能，以響應(yīng)外部刺激，適用于各種應(yīng)用。這些裝置具有作為致動(dòng)器，人造肌肉，機(jī)器人，能量發(fā)生器，傳感器和智能窗簾等重要功能?？茖W(xué)家們致力于開(kāi)發(fā)基于各種活性材料的智能執(zhí)行器，如碳納米管和石墨烯，形狀記憶聚合物，凝膠，共軛聚合物和液晶彈性體以及陶瓷和合金。

左圖：由NIR光引起的MXCC / PC雙層結(jié)構(gòu)致動(dòng)器的機(jī)械性能和運(yùn)動(dòng)。(A)當(dāng)NIR光照明打開(kāi)和關(guān)閉(50mW cm-2)時(shí)，在一個(gè)致動(dòng)循環(huán)期間MXCC和基于纖維素的致動(dòng)器的典型靜態(tài)力和應(yīng)變變化。(B)MXCC和基于纖維素的致動(dòng)器的靜態(tài)力和應(yīng)變作為五個(gè)連續(xù)NIR燈開(kāi)啟和關(guān)閉循環(huán)的時(shí)間的函數(shù)的曲線圖，表明可逆，穩(wěn)定和快速致動(dòng)過(guò)程。(C)基于MXCC的致動(dòng)器在不同NIR照射強(qiáng)度(5至200mW cm-2)下的靜態(tài)力變化。(D)基于MXCC的致動(dòng)器在不同NIR照射強(qiáng)度(5至200mW cm-2)下的彎曲角度。右：在不同的NIR照明強(qiáng)度和機(jī)械建模下的結(jié)構(gòu)變化。(A)基于MXCC和MXene的致動(dòng)器在不同NIR光照射強(qiáng)度下的XRD圖案(實(shí)線，基于MXCC的致動(dòng)器;虛線，基于MXene的致動(dòng)器)。(B)在不同的NIR光照射強(qiáng)度下，基于MXCC和MXene的致動(dòng)器的相應(yīng)d間距。(C)基于MXCC的致動(dòng)器的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(D)在NIR光照射下基于MXCC的致動(dòng)器的模穩(wěn)定性限制了它們的能力，目前很難提高致動(dòng)速度和放大形狀變化。因此非常需要構(gòu)建智能致動(dòng)器，其響應(yīng)于諸如濕度，電力，熱量或光的各種刺激，具有快速致動(dòng)，大形狀變形，可編程適應(yīng)性和穩(wěn)健穩(wěn)定性。為了建立新的和改進(jìn)的材料特性，材料科學(xué)家因此，必須探索先前未識(shí)別的組合材料并合理地設(shè)計(jì)裝置配置以發(fā)明高性能致動(dòng)器。

本工作中使用的MXene(Ti 3 C 2 T x)屬于新型液晶二維(2-D)金屬碳化物，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性和光熱轉(zhuǎn)換性，形成多響應(yīng)且可能高性能執(zhí)行器。目前僅存在使用MXene作為電化學(xué)致動(dòng)器的單個(gè)實(shí)例。因此，在目前的工作中，蔡等人。旨在將MXene用作多響應(yīng)軟驅(qū)動(dòng)器，探索葉片風(fēng)格，精致的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)，并配合協(xié)同功能組件。

受到天然葉片的生物結(jié)構(gòu)和光合機(jī)制的啟發(fā)，Cai等人。設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱(chēng)的雙層軟驅(qū)動(dòng)器，采用單晶二維MXene納米片來(lái)收集電能或光能轉(zhuǎn)化為熱能。為此，他們使用生物相容的纖維素納米纖維形成靜脈骨架，與聚碳酸酯(PC)過(guò)濾膜一起形成快速的葉狀形狀，形成氣孔和表皮，用于水插入和從MXene-纖維素復(fù)合材料(MXCC)中提取?？茖W(xué)家證實(shí)，由于使用傅里葉變換紅外(FTIR)光譜存在纖維素，MXCC中水的吸收增加。使用選區(qū)電子衍射 (SAED)圖案，他們檢測(cè)到MXene的存在是六方結(jié)構(gòu)和單結(jié)晶度，沒(méi)有納米尺度的缺陷。

軟質(zhì)執(zhí)行器在相對(duì)濕度的環(huán)境條件下保持平坦且無(wú)皺的形狀，同時(shí)響應(yīng)于環(huán)境中的增加/減少的濕度而彎曲，Cai等人。定量分析。他們注意到在各種濕度水平下都具有出色的執(zhí)行器性能和可控的彎曲角度。接下來(lái)，科學(xué)家通過(guò)將MXene纖維素條帶連接到兩根銅線來(lái)研究設(shè)備的電氣驅(qū)動(dòng)。隨著電功率的增加，彎曲角度幾乎線性地減小，而軟驅(qū)動(dòng)器僅需要低電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)極端致動(dòng)。與基于濕度的驅(qū)動(dòng)相比，科學(xué)家們通過(guò)電熱驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了更大的彎曲角度。

科學(xué)家還使用近紅外(NIR)光照射記錄了軟致動(dòng)器的溫度變化和結(jié)合角度。他們觀察到MXene /纖維素復(fù)合材料的顯著的協(xié)同致動(dòng)運(yùn)動(dòng)，與各個(gè)部件的不良致動(dòng)性能相反?；谟^察到的光吸收，光熱轉(zhuǎn)換和電化學(xué)驅(qū)動(dòng)，Cai等人預(yù)期這些復(fù)合智能軟驅(qū)動(dòng)器在光響應(yīng)功能中的使用。

蔡等人。進(jìn)一步研究了在機(jī)械分析儀上NIR光照射下材料的光致機(jī)械力。MXCC / PC的驅(qū)動(dòng)過(guò)程快速且可逆?？茖W(xué)家使用X射線衍射(XRD)測(cè)量研究了不同強(qiáng)度照射下MXCC / PC和MXene / PC致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)變化，以顯示纖維素和PC膜的無(wú)定形特征。他們使用有限元建模方法(FEM)研究了機(jī)械性能，以進(jìn)一步了解復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)過(guò)程。建模結(jié)果與研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

為了展示可編程的驅(qū)動(dòng)行為，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一系列復(fù)雜的配置。包括雙折疊U形致動(dòng)器，三葉形拱形致動(dòng)器和自花花，花瓣在NIR照射前打開(kāi)和開(kāi)花，在暴露于NIR時(shí)快速關(guān)閉。此外，科學(xué)家還探索了各種智能設(shè)備，如蠕蟲(chóng)式機(jī)器人，智能開(kāi)關(guān)，加密設(shè)備以及紅外動(dòng)態(tài)顯示和偽裝，以擴(kuò)展主要概念。此外，蔡等人。通過(guò)在PC膜上圖案化十字形MXCC來(lái)構(gòu)建智能開(kāi)關(guān)，它們使用無(wú)線NIR燈進(jìn)行控制?；谶@些原理，科學(xué)家們還組建了一個(gè)開(kāi)放式電路，使用NIR燈打開(kāi)/關(guān)閉智能手表。

對(duì)于數(shù)據(jù)加密，基于可編程的MXene-纖維素油墨，Cai等人。設(shè)計(jì)了所需的圖案，并通過(guò)使用近紅外光或電的局部加熱來(lái)傳達(dá)信息。該信息僅可使用IR讀取并且對(duì)人眼不可見(jiàn)，從而提供除機(jī)器可讀條形碼和QR碼之外的更適合的信息加密。將多種功能集成到一個(gè)系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)偽裝，顯示和驅(qū)動(dòng)的能力在多個(gè)學(xué)科中是重要且有用的。這些設(shè)備證實(shí)了使用MXCC / PC膜在智能軟系統(tǒng)中提供多種功能的可能性，包括信息加密，偽裝和熱響應(yīng)行為。

本研究中引入的新型復(fù)合材料，合理設(shè)計(jì)和低成本制造，以及科學(xué)家實(shí)施的合成策略，將使MXCC / PC膜系統(tǒng)可用于廣泛的科學(xué)和工程領(lǐng)域。通過(guò)這種方式，國(guó)發(fā)蔡和同事開(kāi)發(fā)并建立了一種新型的多響應(yīng)材料和裝置，其多功能生物結(jié)構(gòu)的靈感來(lái)源于前所未有的多種特性。

MXCC / PC膜系統(tǒng)模擬了從微觀結(jié)構(gòu)到光合能力的天然葉子的關(guān)鍵特征，包括能量收集和轉(zhuǎn)換。雙層執(zhí)行器顯示出強(qiáng)大的功能，類(lèi)似于最先進(jìn)的多響應(yīng)執(zhí)行器。探索的材料和先進(jìn)的系統(tǒng)可以進(jìn)一步發(fā)展，為軟機(jī)器人，信息加密和紅外動(dòng)態(tài)顯示領(lǐng)域的革命性技術(shù)創(chuàng)造新的可能性。