基于金纳米棒的光驱动双层软体致动器的制备及其性能研究

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光驱动双层软体致动器具有空间自由度高、远程控制精确和环境适应性强等优点,成为软体机器人、人工肌肉和智能器件等领域研究的热点。然而大多数光驱动双层软体致动器存在形变量小、响应速度慢和形变编程复杂等缺点,同时还面临着界面稳定性较差等挑战,大大限制了其应用。针对以上问题,我们使用具有高光热效率的小金纳米棒设计并制备了双层软体致动器,主要的工作包括以下三个方面:(1)通过改变合成方法和条件,制备了不同尺寸和长径比的金纳米棒。为了提高金纳米棒的分散性以及致动器界面的稳定性,我们对金纳米棒表面进行修饰,并通过UV-Vis、Zeta电位和FT-IR光谱图证明表面修饰的成功。在相同长径比下,改性后的小金纳米棒(长度为22 nm)比大金纳米棒(长度为140 nm)具有更高的光吸收效率(99.8%)和光热温度,并且光吸收具有选择性,可以实现从可见光到近红外光范围的任意波段可调。(2)通过理论分析致动器的形变机理并在制备过程中引入静电相互作用,我们制备了界面稳定且性能优越的光驱动双层软体致动器。实验表明,致动器中改性的小金纳米棒不仅具有良好的光热效应还有效的提高致动器的界面稳定性。同时致动器展现出优异的形状可编程性和较快的响应速度:通过改变裁剪方向,可以实现弯曲、螺旋和卷曲等形变;在150 m W/cm~2的光照下,长为16 mm的致动器的弯曲角度在0.16 s内可达到90°以上;在不同频率和不同光强下循环1000次以上,致动器的性能没有明显衰减。(3)通过对光驱动软体致动器的设计,实现了仿生虹膜对光通量的自调节、仿生蝴蝶的触须和翅膀的独立控制、光控爬行机器人的仿生爬行以及光控滚动机器人的向光和避光运动。这些器件在不同光强、波长和照射时间下可以执行相应的任务,具有形变大、运动复杂和功能多样的特点。
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