《Sensors and Actuators A: Physical》：Self-Replenishing Soft Actuator Driven by Liquid–Gas Phase Change of Harvested Atmospheric Moisture
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•一种软驱动器通过收集大气湿气来补充其工作流体•驱动器在光热加热下弯曲是由液-气相变驱动的•曲率变化约0.033 mm?1在五个补充循环中得到维持•没有湿气补充时，驱动性能衰减至很小的残余水平•多孔硅胶复合驱动器在水面上方完成了十次驱动循环引言由热膨胀驱动的软驱动器因其结构简
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一种软驱动器通过收集大气湿气来补充其工作流体
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驱动器在光热加热下弯曲是由液-气相变驱动的
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曲率变化约0.033 mm?1在五个补充循环中得到维持
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没有湿气补充时，驱动性能衰减至很小的残余水平
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多孔硅胶复合驱动器在水面上方完成了十次驱动循环
引言
由热膨胀驱动的软驱动器因其结构简单且适合在环境环境中无缆操作而得到了广泛研究。迄今为止，基于固态热膨胀的软热驱动器已经得到发展，其变形是通过不同材料或结构元件之间热膨胀系数的不匹配产生的，从而实现了广泛的弯曲、卷曲和形状变形行为[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。这种热双金属驱动器提供可靠且可重复的操作。然而，其变形本质上受限于固体材料相对较小的热膨胀系数。
最近，将相变工作流体纳入弹性基质中的软复合驱动器作为一种有前景的替代方案应运而生[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。通过利用液-气相变伴随的大量体积膨胀，这些驱动器能够在保持简单驱动方案的同时产生显著更大的变形——一个代表性的例子是含有分散乙醇的弹性体复合材料，其在加热时实现大应变[14]、[16]、[19]。尽管取得了这些进展，但液-气相变复合驱动器存在一个根本性限制，即工作流体的消耗。在大多数现有设计中，在制造过程中向驱动器中装入有限量的工作流体，而气体逐渐通过软基质渗透，逐步减少了可用流体，导致驱动幅度下降并最终丧失驱动能力。此外，即使没有主动操作，在长期储存过程中通过渗透造成的流体损失也会在使用驱动器之前降低其性能。
克服这一限制的一个有前景的策略是从周围环境补充工作流体，而不是依赖预装的有限量。几项研究[23]、[24]、[25]已经通过补充耗尽的驱动器来证明相变驱动的恢复，即将复合材料浸入液态乙醇中，使流体扩散回到可渗透的基质中，恢复后续相变所需的液体。这些研究确立了可补充相变驱动器的可行性。然而，所演示的工作流体仅限于乙醇等有机液体，这些液体需要直接接触液体储存器或手动加注。
相比之下，水是自然界中最丰富的流体，并以大气湿气的形式普遍存在。如果相变驱动器能够收集大气湿气作为其工作流体，则驱动能力可以自主恢复，而无需任何外部流体供应。这种能力将实现在有机溶剂不可用的环境中的持续运行，并将相变驱动器的适用性扩展到长期自主系统。据我们所知，这一概念迄今仅在我们的初步会议论文[26]中得到了演示。然而，关于持续驱动行为、运行期间热条件以及潜在驱动机制的系统性研究尚未报道。
在本研究中，我们提出了一种自补充液-气相变软驱动器，其工作流体从高湿度环境中的大气湿气中收集。驱动器被动地吸收周围空气中的湿气，并通过外部近红外光热加热进行驱动。该驱动器由含有吸湿硅胶颗粒的多孔硅胶复合材料组成，其工作流体反复从周围大气中补充。在光热加热时，收集的湿气发生液-气相变并产生弯曲变形。通过结构表征、吸湿量测量以及有和无湿气补充的循环驱动实验，我们证明在88-95%相对湿度（RH）下，通过大气湿气收集维持驱动性能，无需外部液体储存器或手动加注。该驱动器的适用性通过概念验证演示进一步说明。
章节摘要
概念与工作原理
如图1所示，所提出的驱动器由含有吸湿硅胶颗粒的多孔硅胶基质组成。从环境空气中收集的蒸汽被吸收到复合材料中，作为相变驱动的可补充工作流体。湿气既存储在硅胶颗粒中，也存储在多孔基质本身中，其中加入颗粒以增强总吸收容量。在一个表面进行光热加热时，会产生温度梯度
制造工艺
制造工艺概述见我们之前的工作[26]，如图2所示。驱动器是硅橡胶（Ecoflex 00-35 FAST，Smooth-On，美国）、水、硅胶颗粒（Sylosphere，Fuji Silysia Chemical，日本；平均直径10 μm）、炭黑（CP级，粒径24 nm，Sigma-Aldrich，日本）和一种非离子表面活性剂（Igepal CO-520，Sigma-Aldrich，美国）的复合材料。硅橡胶作为柔软且热稳定的基质，炭黑提供
多孔复合材料的微观结构
图3展示了使用不含炭黑的参考样品（第3.2节）通过X射线显微CT观察到的复合材料内部微观结构。如第3.1节所述，这些参考样品采用了与驱动器样品（90°C和150°C烘箱干燥）不同的干燥程序（室温干燥后热风枪处理）。图3(a)展示了代表性体积（1 mm立方体）的三维重建，图3(b)显示了放大的3D视图（200 μm立方体）。
结论
我们提出并演示了一种自补充液-气相变软驱动器，其工作流体从高湿度环境中的大气湿气中收集。驱动器被动地吸收周围空气中的湿气，并通过外部近红外光热加热进行驱动。该驱动器是含有吸湿硅胶颗粒的多孔硅胶复合材料，其中收集的湿气在近红外光热作用下发生液-气相变
CRediT作者贡献声明
Yoshihiro Taguchi：撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。 Masaaki Hashimoto：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法论，资金获取，形式化分析，数据整理，概念化。 Kiko Tanaka：撰写 – 审阅与编辑，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。 Keisuke Nakamura：撰写 – 审阅与
生成式AI与AI辅助技术在写作过程中的声明
在准备本工作的过程中，作者使用了Claude（Anthropic）以改善手稿的英语语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对所发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作由JSPS KAKENHI拨款编号JP25K17929和JP25K01177以及庆应义塾大学石井-石桥基金支持。X射线显微CT观察使用ZEISS Xradia 630 Versa演示机完成。作者感谢日本卡尔蔡司股份有限公司提供仪器使用权和技术支持。
Kiko Tanaka分别于2024年和2026年获得日本横滨庆应义塾大学机械工程学士学位和硕士学位。她的研究专注于液-气相变驱动的软驱动器。
Kiko Tanaka|Keisuke Nakamura|Yoshihiro Taguchi|Masaaki Hashimoto
