【摘 要】
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驱动器是一种将外界能量转换为机械能能量转换器件。借助驱动器,控制系统能够更轻易地实现与周边环境的友好交互,驱动器在微机电系统、人造肌肉、柔性机器人等领域占有重要研究地位。然而,现有驱动器存在许多不足,如制备流程复杂、刺激来源单一、响应效果差。碳基材料在热学、电学、力学等领域具有优异的性质,使用碳基材料制备的驱动器容易获得较好的驱动效果。本论文根据两种基本物理规律（热膨胀效应与吸湿膨胀效应）,以石墨
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驱动器是一种将外界能量转换为机械能能量转换器件。借助驱动器,控制系统能够更轻易地实现与周边环境的友好交互,驱动器在微机电系统、人造肌肉、柔性机器人等领域占有重要研究地位。然而,现有驱动器存在许多不足,如制备流程复杂、刺激来源单一、响应效果差。碳基材料在热学、电学、力学等领域具有优异的性质,使用碳基材料制备的驱动器容易获得较好的驱动效果。本论文根据两种基本物理规律（热膨胀效应与吸湿膨胀效应）,以石墨、氧化石墨烯（graphene oxide,GO）为主材料,结合其它复合材料,通过层层组装的方法制备了具有多重刺激响应能力的双层驱动器。具体工作如下:（1）使用纸上涂铅笔法,设计了一种石墨纸（graphite paper,GP）/双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene film,BOPP）双层驱动器。该驱动器制备流程十分简单,同时,利用石墨纸与BOPP薄膜的特性,获得的驱动器能够对近红外光（near infrared,NIR）和相对湿度（relative humidity,RH）的变化迅速做出响应。湿度驱动时,最大弯曲曲率可达1.2 cm-1（RH=80%）。此外,驱动器在300 m W cm-2的近红外光下照射10 s,弯曲曲率可达1.4 cm-1。随后,通过控制BOPP胶带的粘贴区域、GP纸的涂画密度、驱动器形态设计了T型驱动器、条形驱动器、螺旋形驱动器。展示了该类驱动器实现多种功能,完成各类复杂运动的可能。（2）设计了一种氧化石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate,PET）驱动器。PET层与GO层的吸湿膨胀系数与热膨胀系数差异使制备的驱动器具有光驱动、湿度驱动的能力。同时,双重驱动机制的结合使驱动器可以达到较大弯曲形变:使用NIR照射5 s后(400 m W cm-2),GO/PET驱动器弯曲曲率可达0.55 cm-1,在高湿度环境下（RH=90%）,曲率能达到0.87cm-1。通过对该驱动器工作机制的分析,我们设计了仿生花、智能夹持装置、蠕虫机器人等应用。通过光照,湿度条件的控制,我们可以实现花朵的开放与闭合,夹持装置可以从内部夹起物体,蠕虫机器人上下楼梯,行走。通过这些应用我们展示了这类驱动器在智能机器人领域的可观前景。（3）为了改变基于GO制备的驱动器不能被电驱动的劣势,我们选择了聚3,4-乙二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸盐（poly（3,4-ethylenedioxythiophene）:polystyrene sulfonate,PEDOT:PSS）作为导电材料。首先,混合GO与细菌纤维素（bacterial cellulose,BC）制备GO-BC复合膜。随后,通过层层组装的方法将PEDOT:PSS导电薄膜粘贴到GO-BC复合膜上获得了GO-BC/PET/PEDOT:PSS复合膜,随后将复合膜裁剪成U型驱动器。PEDOT:PSS导电膜的透明性与疏水性使驱动器具有较好的光驱动与湿度驱动性能,NIR照射10 s后(500 m W cm-2),GO-BC/PET/PEDOT:PSS驱动器弯曲角度可达164.22°,在高湿度环境下（RH=85%）,弯曲角最大能达到105.82°。除此之外,该驱动器还能够被外界电刺激所驱动。在电驱动时,当直流电压达到40 V时,该驱动器可以达到116.98°的弯曲角。所制备的驱动器能够对光照、湿度、电刺激做出响应。同时,利用驱动器的光驱动,湿度驱动机制,设计了仿生花、智能夹持装置等应用。这些结果表明,具备多种刺激响应能力的驱动器在生产实践中具有更多的应用场景。面对更加复杂化的生产应用环境,这类驱动器更具优势,潜在价值巨大。
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