光热机械效率高、成本低、使用寿命长的MXene-聚合物混合驱动器

《Advanced Materials Technologies》：Photothermomechanically Efficient, Low-Cost, High-Cycle-Life, Hybrid MXene-Polymer Actuators

提出了一种基于MXene的三层光热机械薄膜执行器（MPTA），通过优化MXene浓度（2.5%）和三明治结构设计，解决了传统光热执行器的高温、低效率、易疲劳等问题，实现了0.1 mW cm?2·°C?1的低能耗需求、0.1° mW?1 cm?2·s?1的高弯曲能力及1000次循环无失效。展示了折纸花、平行机械臂和软抓取器等应用，验证了其成本效益（约$2 g?1）和长寿命特性。分隔符：

　　本文介绍了一种新型的基于MXene分散的聚合物三明治结构的光热机械执行器（MPTA），该材料在软体机器人领域展现出了显著的优势。传统软体机器人在材料性能、制造成本和耐久性方面存在诸多限制，而MPTA通过引入MXene纳米材料，有效克服了这些挑战。MXene是一种二维碳基材料，理论上具有接近100%的光热转换效率，能够将光能高效地转化为热能，从而驱动材料发生形变。这种材料的创新之处在于其独特的三层结构设计，通过顶层的热膨胀、中间层的粘附作用以及底层的热收缩，实现了高效的光热驱动响应，同时降低了对输入能量的需求，并提高了材料的使用寿命。

### 材料与结构优势

MPTA的核心设计在于其三层结构，其中顶层为MXene分散的弹性体，具有良好的热响应能力；中间层为塑料树脂，提供了粘附作用，确保了三层之间的紧密结合；底层为纸张，其在特定湿度条件下具有显著的热收缩特性。这种结构的协同效应使得MPTA在受到紫外光（UV）照射时能够产生明显的弯曲变形。与传统的光热执行器相比，MPTA的弯曲能力、响应速度和耐久性均得到了显著提升。例如，在2.5% MXene含量的条件下，MPTA能够在较低的光强下实现稳定的温度变化，并在1000次循环操作中保持良好的性能，而不会出现明显的材料失效或分层现象。

此外，MXene的引入不仅提高了材料的光热转换效率，还优化了其对可见光和紫外线的吸收能力，使其在更广泛的光谱范围内表现出色。相比之下，传统的光热材料（如非MXene纳米颗粒掺杂的水凝胶或液晶弹性体）通常需要较高的光强输入，且在多次循环后容易出现性能衰减。MPTA的这种特性使其在实际应用中具有更高的适应性和稳定性，特别是在需要长时间、重复使用的工作环境中。

### 光热性能表现

在光热性能方面，MPTA表现出显著的优势。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和紫外-可见光谱（UV-Vis）分析，研究人员确认了MXene在MPTA中的均匀分布，并且其吸收特性在紫外光和可见光区域均表现出色。实验结果显示，2.5% MXene含量的MPTA在紫外光照射下能够达到更高的温度响应，同时减少了能量损耗。这表明MXene在光热转换过程中起到了关键作用，不仅提升了光能转化为热能的效率，还增强了材料的热响应能力。

在温度变化与形变的关联性方面，MPTA的温度变化与弯曲角度之间呈现出良好的线性关系。在2.5% MXene含量的条件下，MPTA的弯曲能力达到了0.1° mW^?1 cm² s^?1，这一数值显著高于其他类似材料的性能表现。例如，非MXene纳米颗粒嵌入的水凝胶在相同条件下仅能实现1.29°的弯曲，而MXene层叠材料的弯曲能力仅为0.05°。因此，MPTA在光热驱动下的形变能力得到了显著增强。

### 耐久性与经济性

MPTA的耐久性是其另一大优势。实验测试表明，MPTA在1000次循环操作后仍能保持稳定的温度和形变响应，且未出现明显的材料疲劳或分层现象。这一性能远优于其他光热执行器，如非MXene纳米颗粒嵌入的水凝胶和液晶弹性体，它们在10次循环后便可能出现性能下降或结构损坏。MPTA的这种耐久性使其在需要长时间、高频率操作的软体机器人应用中具有巨大潜力。

从经济性角度来看，MPTA的制造成本相对较低，特别是在使用低浓度MXene的情况下。MXene作为核心材料，虽然具有优异的光热性能，但其成本占整体材料成本的较大比例。因此，通过优化MXene的含量，可以在保持高效光热转换的同时，显著降低材料成本。实验数据显示，MPTA的制造成本为每克约2美元，远低于非MXene材料（如水凝胶每克约50美元，液晶弹性体每克约400美元）。这种低成本特性使得MPTA在大规模生产和长期应用中更具可行性。

### 应用前景

MPTA的应用潜力在多个实验中得到了验证。首先，研究人员通过“剪纸启发的花形结构”（KIFS）展示了MPTA的弯曲能力，该结构在60,000秒内（即1000次循环）保持了稳定的运动特性。这种结构不仅美观，还展示了MPTA在复杂形状控制方面的能力，适用于仿生机器人、可穿戴设备等场景。

其次，MPTA被应用于并联机械臂和软体夹爪的原型设计中，展现了其在机械控制和抓取操作方面的潜力。在并联机械臂实验中，MPTA能够通过紫外光照射实现平台的升降和倾斜控制，其响应速度约为0.01–0.05 mm/s。这种特性使得MPTA在需要精细控制的机械系统中具有广泛应用的可能。

在软体夹爪的应用中，MPTA被用来抓取和搬运物品，例如将棉花糖从底部移动到巧克力松饼上。这一过程展示了MPTA在无外部驱动源的情况下，能够通过紫外光照射实现精确的抓取和搬运。这种能力对于食品加工、医疗设备和精密工业操作具有重要意义，因为它能够在不依赖复杂电子系统的情况下实现自动化控制。

### 未来研究方向

尽管MPTA在多个方面表现出色，但仍有进一步优化的空间。未来的研究可以集中在以下几个方面：首先，提高MXene的光热转换效率，通过优化材料的分散方式、功能化改性和结构设计，以实现更高的能量利用率。其次，探索MPTA在更广泛光谱范围内的应用，特别是可见光和红外光的兼容性，这将有助于其在更多环境中的使用。第三，研究MPTA在长期使用过程中对生物组织的影响，确保其在医疗或人体接触应用中的安全性。

此外，未来的研究还应关注MPTA的疲劳特性。虽然目前实验表明其在1000次循环后仍能保持稳定性能，但更长期的疲劳测试仍然需要进行。这将有助于进一步验证MPTA的可靠性，并为其在复杂机器人系统中的应用提供更充分的理论依据。

### 结论

MPTA作为一种新型的光热机械执行器，凭借其高效的光热转换能力、低成本的制造工艺和出色的耐久性，为软体机器人领域提供了一种可行的解决方案。其三层结构设计、MXene的高效吸收特性以及对多种光谱的响应能力，使其在各种应用场景中具有广泛的适应性。未来，随着材料优化和制造工艺的改进，MPTA有望成为软体机器人、智能服装、医疗辅助设备等领域的核心组件，推动相关技术的发展和应用。