《Chemical Engineering Journal》：Biomimetic Janus actuators with self-sensing and chromatic feedback for intelligent soft robotics
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环境触发的机械响应与自感知是智能软体机器人实现人机环境交互的关键。本文提出一种具有双向驱动与自感知功能的Janus结构驱动器，其染色驱动层（PVA/CNF-C/TC）结合湿度响应与光热变色特性，感知层（PUU/IL/石墨烯）通过重力沉降形成梯度结构实现双向力学传感。该驱动器在近红外光和湿度刺激下可产生最大曲率6.2 cm?1的双向弯曲，同时具备11.6的高灵敏度自感知能力，成功开发出智能开关和双向球体半径检测装置，可区分50 mm、40 mm和30 mm不同半径的球体。
袁凯|杨祖汉|唐宇豪|曹小龙|宗岩|徐群娜
陕西科技大学生物资源化学与材料工程学院，中国西安710021
摘要
环境触发的机械响应和自我感知是智能软体机器人实现人机环境交互的基本要求。然而，在集成双向驱动和实时传感的同时实现视觉反馈仍然是一个巨大的挑战。在这里，我们提出了一种具有双向自感知和变色特性的Janus结构执行器。变色驱动层由聚（乙烯醇）（PVA）、羧化纤维素纳米纤维（CNF-C）和热致变色颗粒（TC）组成，表现出优异的吸湿性和变色能力。传感结构层（PGL）由疏水性聚氨酯（PUU）、离子液体（IL）和石墨烯组成，其中重力沉降在PGL层内形成梯度结构，从而实现双向感知行为。这种架构能够根据湿度和光热刺激进行非对称驱动，弯曲率可达6.2 cm?1，最大弯曲速度为0.48 cm?1 s?1。此外，该执行器能够检测不同方向的物体运动，最大灵敏度（GF）为11.6。有趣的是，通过集成双向感知和驱动功能，开发了一种智能开关和双向球体半径检测装置，它们可以自主驱动并检测自身的弯曲行为，从而确定两侧物体的半径，成功区分了三种不同半径（50 mm、40 mm和30 mm）的球体。这项工作为智能软体机器人技术提供了有前景的方向。
引言
植物能够感知环境中的光线、温度和湿度变化，并通过不同组织的膨胀实现向光性和吸湿性运动[1]。通过模仿生物体的多种运动方式，结合人工智能和机器人技术的快速发展，软体机器人在医疗康复、人机交互和环境探索方面展示了巨大的应用潜力，这得益于它们的灵活性、安全性和强大的适应性[2][3][4][5][6]。与传统刚性机器人不同，软体机器人可以通过对外部刺激（如温度、湿度和光线）的反应实现连续且可控的变形，从而完成复杂的运动任务[7][8][9][10]。然而，大多数现有的软体执行器仅具有驱动能力，缺乏温度的视觉反馈和自我感知功能[11][12]，这使得它们无法实时监测自身的运动状态和外部环境变化。这严重限制了它们在闭环控制系统和智能交互场景中的应用。因此，开发一种具有集成多刺激响应性、视觉温度反馈和物体几何形状自我感知能力的柔性执行器系统至关重要。
在软体执行器的设计中，结构架构是影响驱动性能的关键因素[13][14]。由于其非对称特性，Janus结构被广泛采用[15][16][17]。Janus结构材料的两个层具有不同的吸湿性和光热响应性，使执行器在受到刺激时能够产生定向弯曲[18]。例如，张等人[19]通过点击聚合制备了一种Janus结构的光敏聚酰亚胺薄膜，在紫外光照射下3秒内实现了快速的大角度响应。任等人[20]通过微流控工艺设计了一种Janus结构执行器，能够在6秒内快速实现近红外（NIR）驱动的弯曲，并在5分钟内快速自愈。尽管现有的Janus执行器表现出良好的响应性和较大的弯曲角度，但它们通常仅限于单一刺激响应。这一限制限制了它们对复杂环境变化的适应性，使其在复杂操作环境中的应用受到限制[21]。因此，Janus架构对于可编程和定向驱动至关重要，而多刺激响应的集成对于智能、多功能和环境适应性强的软体执行器系统越来越必要。
多环境刺激响应性、自我感知和反馈功能的高度集成是提高系统智能的关键。精确监测不同刺激引起的变形对于增强反馈和实现有效的人机交互至关重要[22][23][24]。为此，已经探索了各种机电反馈机制[25][26][27]。例如，孟等人[28]报道了一种近红外（NIR）响应的半互穿聚合物网络水凝胶执行器，能够主动感知外部环境刺激，监测其变形，并通过信号获取和分析主动调节形态变化。同样，王等人[29]开发了一种光子执行器，能够在近红外照射下同步改变结构颜色和形状。然而，这些设计通常仅限于单一的感知或反馈行为，从而提供了不完整的反馈信息，限制了软体执行器的交互能力[30][31][32]。因此，开发能够同时提供视觉温度反馈和物体几何形状自我感知的执行器对于在动态环境中运行的多功能软体机器人来说是不可或缺的。
这项工作受到了牵牛花变色和卷曲行为的启发。当温度升高时，牵牛花的花瓣会折叠并绽放，同时发生颜色变化——这一过程是由花瓣组织的差异膨胀和色素分子的温度敏感性共同驱动的（图1a）。基于这一生物机制，通过将含有石墨烯和离子液体（IL）的疏水性聚氨酯（PUU）传感结构层（PGL）与由聚（乙烯醇）（PVA）、羧化纤维素纳米纤维（CNF-C）和热致变色颗粒（TC）组成的亲水性变色驱动层集成，制备了一种Janus执行器。如图1b所示，PVA作为吸湿基质，因为其丰富的羟基赋予了活性层强大的吸水能力。CNF-C进一步促进水分吸收和膨胀，从而增强了驱动响应。离子液体有助于在执行器中建立导电路径。此外，石墨烯（G）不仅作为导电成分进一步增强电荷传输，还在光照下作为光热剂。同时，它的加入有助于形成梯度结构。PUU作为结构骨架和柔性基底，保持了执行器的双层完整性。所得到的执行器在光热和湿度刺激下表现出双向驱动和双向自我感知（图1c），并伴随温度依赖的变色行为。展示了仿生牵牛花和仿生蛇形攀爬机器人（图1d）。利用双向驱动和双向自我感知特性，开发了一种智能开关和双向球体半径检测机器人，能够感知不同侧物体的几何半径（图1e）。这项研究为仿生软体机器人的设计提供了新的策略，并为智能材料在复杂环境中的应用开辟了新的可能性。
Janus执行器的制备与表征
利用非对称的Janus结构进行执行器应用，其中疏水性PGL层有效阻止了水分子从一侧渗透到PVA/CNF-C/TC层中，从而在各种刺激下实现单向吸水和释放，从而促进快速驱动和增强弯曲[33][34]。同时，PGL层的独特梯度结构实现了双向驱动角度的实时监测。
结论
总结来说，开发了一种Janus结构执行器，包括高吸湿性和热致变性的PVA/CNF-C/TC变色驱动层以及具有优异双向感知能力和光热转换效率的疏水性PGL传感结构层。在近红外（NIR）光、湿度和温度的刺激下，执行器表现出双向、显著且可逆的弯曲行为，最大弯曲率为6.2 cm?1，并伴随热致变色
CRediT作者贡献声明
袁凯：监督、研究、概念化。杨祖汉：数据管理、研究、软件开发、验证、写作——审稿与编辑。唐宇豪：写作——初稿撰写、正式分析、数据管理。曹小龙：可视化、验证。宗岩：软件开发、资源准备。徐群娜：项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了陕西省自然科学基金（2024JC-YBMS-412）的财政支持。
