微晶纤维素/鱼鳔明胶驱动器的制备与响应特性研究

《Scientific Reports》：Preparation and response study of microcrystalline cellulose/fish bladder gelatin actuator

　　

摘要

由于无需外部能量输入即可自主驱动，湿度驱动型智能材料在软体机器人和自适应系统领域展现出巨大潜力，因此越来越受到关注。然而，基于天然聚合物的驱动器往往存在机械强度不足和结构稳定性差的问题，这限制了它们的实际应用。在本研究中，研究人员基于硅烷改性的微晶纤维素（KMCC）和鱼鳔明胶（FG）开发出一种新型的仿生水驱动驱动器。该驱动器采用了受天然吸湿系统启发的双层各向异性结构，通过实验表征和有限元模拟，系统研究了KMCC含量及结构参数对材料变形行为的影响。研究结果表明，引入KMCC显著提升了复合水凝胶的机械性能和热稳定性：当KMCC含量为10%时，材料的抗拉强度从纯FG的0.258 MPa提升至0.477 MPa，热分解温度也上升了约11.81°C。该驱动器还表现出优异的可逆变形性能，当KMCC含量为10%时，其最大弯曲曲率为0.083。随着KMCC含量的增加，材料的变形幅度有所减小，但结构稳定性却得到提升。此外，该驱动器还能实现可控的扭转变形，在20°的层间角度下，其最大扭转角为2.04π，变形量为66.93毫米。有限元模拟结果与实验数据高度吻合，证明了该变形机制的可靠性。这种变形机制是由水分扩散和氢键重构所驱动的，它们会在不对称结构中引发各向异性的体积变化以及界面应力不匹配。本研究通过优化材料界面和结构设计，为提升水驱动驱动器的性能提供了可行策略，也为开发用于软体机器人和自适应系统的高性能智能材料带来了新的思路。