一、研究背景

軟驅(qū)動(dòng)器因具備分布式驅(qū)動(dòng)和高容錯(cuò)性的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注，但制備兼具小尺寸、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、低能耗與多功能性的仿生軟驅(qū)動(dòng)器仍是一大挑戰(zhàn)。昆蟲級(jí)軟驅(qū)動(dòng)器相比傳統(tǒng)大型機(jī)器人，擁有體積小、重量輕、能耗低、成本低的特點(diǎn)，在醫(yī)療、通信、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，可用于危險(xiǎn)/難抵達(dá)區(qū)域的生命探測(cè)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)景。

現(xiàn)有電致伸縮驅(qū)動(dòng)器雖具備類肌肉的能量密度、輕量化、高柔性和快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，是研發(fā)厘米級(jí)爬行/飛行機(jī)器人的理想選擇，但當(dāng)前昆蟲級(jí)機(jī)器人普遍存在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，嚴(yán)重限制了其微型化、機(jī)械魯棒性提升和能耗降低。同時(shí)，傳統(tǒng)軟機(jī)器人依賴多材料協(xié)同工作，層間傳動(dòng)易造成能量損耗，亟需能集成驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)、支持多運(yùn)動(dòng)模式的多功能材料。

聚偏氟乙烯（PVDF）及其衍生物是電致伸縮驅(qū)動(dòng)的潛力材料，但這類弛豫鐵電聚合物存在機(jī)械能密度遠(yuǎn)低于壓電陶瓷的缺陷，軟材料面內(nèi)大膨脹的有效輸出轉(zhuǎn)化效率低，難以產(chǎn)生足夠的應(yīng)變和力輸出。

二、研究亮點(diǎn)

1. 制備的P(VDF-TrFE-CFE)/聚合物點(diǎn)（PDs）梯度納米復(fù)合材料，在100 MV m?1電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)14.4%的超高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和1.92 J cm?3的輸出機(jī)械能密度，電致伸縮系數(shù)Q??達(dá)44.3 m? C?2，是純?nèi)簿畚锏?倍以上，機(jī)械能密度媲美壓電陶瓷。

2. 通過界面氫鍵作用和溫度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)全反式構(gòu)象的梯度分布，使單層薄膜具備類單壓電晶片的彎曲驅(qū)動(dòng)特性，摒棄了傳統(tǒng)多層層合結(jié)構(gòu)，消除了界面能量損耗，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

3. 基于該復(fù)合材料制備出僅約50 mg的昆蟲級(jí)仿生驅(qū)動(dòng)器，無需額外輔助機(jī)構(gòu)，即可模擬毛蟲爬行和蝴蝶飛行兩種運(yùn)動(dòng)模式，毛蟲爬行速度達(dá)4.5 cm s?1（功耗僅3.62 mW），蝴蝶翅膀拍動(dòng)頻率8 Hz、升空高度2-4 mm（功耗7.98 mW），能耗較同類器件降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且中心驅(qū)動(dòng)區(qū)域可承載自身20倍的重量。

三、研究?jī)?nèi)容

1. 復(fù)合材料的制備與作用機(jī)制

圖1：梯度分布設(shè)計(jì)與氫鍵增強(qiáng)的全反式構(gòu)象

    - a：展示terpolymer/PDs-G的制備流程，包括PDs與共聚物混合、滴涂、梯度升溫成膜、噴涂電極的全過程；

    - b：闡明PDs與共聚物的氫鍵作用機(jī)制，PDs表面官能團(tuán)與F原子形成氫鍵，誘導(dǎo)全反式構(gòu)象生成；

    - c：復(fù)合膜橫截面的全反式構(gòu)象梯度分布示意圖，下層構(gòu)象更有序；

    - d：42 MV m?1電場(chǎng)下，terpolymer/PDs-G發(fā)生顯著折疊，而純共聚物膜僅輕微變形，直觀體現(xiàn)性能差異；

    - e：不同PDs含量在50/100 MV m?1下的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，證實(shí)0.5 wt%為最優(yōu)比例；

    - f-g：PDs的FT-IR光譜（證實(shí)酰胺鍵存在）和不同PDs含量共聚物的FT-IR光譜（證實(shí)氫鍵形成與全反式構(gòu)象增加）。

    以檸檬酸和乙二胺為原料，通過水熱交聯(lián)法制備富含氫鍵位點(diǎn)的PDs，將其與P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物溶液混合后，經(jīng)60℃恒溫4 h+60-120℃梯度升溫8 h的溶劑蒸發(fā)工藝，制備出terpolymer/PDs-G梯度復(fù)合膜。PDs表面酰胺鍵的N-H與共聚物中的F原子形成氫鍵，誘導(dǎo)共聚物形成全反式構(gòu)象；梯度升溫造成膜上下表面溶劑蒸發(fā)速率差異，使全反式構(gòu)象在膜下層高度富集，形成梯度分布，而PDs在基質(zhì)中呈均勻分散狀態(tài)。

2. 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征

圖2：全反式構(gòu)象均勻分布的共聚物/PDs復(fù)合膜結(jié)構(gòu)分析

    - a：XRD圖譜顯示復(fù)合膜的(110/200)衍射峰向高角度偏移，表明分子鏈間距減小；

    - b：FT-IR光譜進(jìn)一步驗(yàn)證PDs引入后全反式構(gòu)象比例提升；

    - c-d：AFM-IR化學(xué)成像顯示，復(fù)合膜存在清晰的極性網(wǎng)絡(luò)，而純共聚物無明顯極性網(wǎng)絡(luò)；

    - e-f：標(biāo)記位置的局部紅外光譜，證實(shí)PDs誘導(dǎo)共聚物生成全反式構(gòu)象。

    紅外光譜（FT-IR）證實(shí)氫鍵形成使N-H彎曲吸收峰偏移，并出現(xiàn)特征氫鍵吸收峰，且PDs含量為0.5 wt%時(shí)氫鍵作用最優(yōu)；X射線衍射（XRD）表明PDs的引入減小了共聚物的分子鏈間距；原子力顯微鏡-紅外聯(lián)用（AFM-IR）和高分辨透射電鏡（HRTEM）直觀顯示terpolymer/PDs-G膜的下層全反式構(gòu)象和極性網(wǎng)絡(luò)更豐富，形成連續(xù)的極性相互連網(wǎng)絡(luò)；差示掃描量熱法（DSC）表明PDs通過氫鍵改變了聚合物的微觀結(jié)構(gòu)，使熔融溫度和熔融焓隨PDs含量增加逐漸降低。

3. 復(fù)合材料的電致伸縮性能研究

圖3：全反式構(gòu)象梯度分布復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)分析與電致伸縮性能

    - a：FT-IR光譜顯示terpolymer/PDs-G膜下層的全反式構(gòu)象特征峰強(qiáng)度遠(yuǎn)高于上層，純共聚物膜上下層差異微弱；

    - b：掠入射XRD表明復(fù)合膜和純共聚物膜的下層衍射峰均向高角度偏移，下層分子鏈間距更?。?/span>

    - c-d：AFM-IR成像顯示梯度復(fù)合膜存在連續(xù)的極性相網(wǎng)絡(luò)，純共聚物膜為均相分布；

    - e-f：膜橫截面從下到上的局部紅外光譜，證實(shí)復(fù)合膜全反式構(gòu)象從下到上逐漸降低，且變化過程平緩；

    - g-j：HRTEM及快速傅里葉變換結(jié)果，直觀顯示復(fù)合膜下層的全反式構(gòu)象比上層更豐富；

    - k：不同電場(chǎng)下terpolymer/PDs-G與純共聚物的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變對(duì)比，體現(xiàn)梯度復(fù)合膜的性能優(yōu)勢(shì)；

    - l：該材料與PZT、PZN-PT、其他PVDF基材料的最大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變對(duì)比，證實(shí)本研究材料性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

    系統(tǒng)測(cè)試了不同PDs含量、電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率下的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)0.5 wt%是最優(yōu)PDs摻雜比例，該比例下復(fù)合材料在1 Hz、100 MV m?1下應(yīng)變達(dá)14.4%，較純?nèi)簿畚铮?.2%）提升330-350%；復(fù)合材料的極化強(qiáng)度在100 MV m?1下達(dá)0.070 C m?2，高于純共聚物的0.059 C m?2，且弛豫鐵電特性使材料在10 Hz下仍保持優(yōu)異性能，介電擊穿強(qiáng)度提升至249 MV m?1，漏電流密度更低，電荷陷阱效應(yīng)增強(qiáng)。此外，膜上下表面的彈性模量差異并非驅(qū)動(dòng)變形的主因，全反式構(gòu)象的梯度分布是實(shí)現(xiàn)單向彎曲的核心因素。

4. 仿生驅(qū)動(dòng)器的制備與性能測(cè)試

圖4：毛蟲-蝴蝶仿生系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制與性能

    - a：毛蟲和蝴蝶驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電極分布及電場(chǎng)下的驅(qū)動(dòng)機(jī)制示意圖，闡明單層膜的單向彎曲驅(qū)動(dòng)原理；

    - b：毛蟲驅(qū)動(dòng)器的高速攝影爬行過程，記錄其在階梯路徑上的蠕動(dòng)狀態(tài)；

    - c：蝴蝶驅(qū)動(dòng)器的高速攝影升空過程，展示翅膀拍動(dòng)與離地升空的過程；

    - d：本研究驅(qū)動(dòng)器與其他文獻(xiàn)報(bào)道的電軟驅(qū)動(dòng)器的輸入功耗對(duì)比，證實(shí)本研究器件的超低功耗優(yōu)勢(shì)。

    將terpolymer/PDs-G膜裁剪為毛蟲和蝴蝶的仿生形狀，通過噴涂碳納米管制備橢圓形電極，構(gòu)建無額外輔助機(jī)構(gòu)的單層驅(qū)動(dòng)器。毛蟲驅(qū)動(dòng)器采用階梯狀爬行路徑，在42 MV m?1、2 Hz電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定蠕動(dòng)，單次循環(huán)能耗僅9.04×10?? J；蝴蝶驅(qū)動(dòng)器采用流線型頭尾設(shè)計(jì)，電極驅(qū)動(dòng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)翅膀可逆拍動(dòng)，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)50 MV m?1時(shí)翅膀轉(zhuǎn)角約90°，單次循環(huán)能耗4.99×10?? J。對(duì)比測(cè)試表明，該復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)相同驅(qū)動(dòng)應(yīng)變所需電場(chǎng)僅30 MV m?1，遠(yuǎn)低于純共聚物的100 MV m?1，功耗降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

四、總結(jié)與展望

本研究通過將富含氫鍵位點(diǎn)的PDs引入P(VDF-TrFE-CFE)弛豫鐵電三元共聚物，結(jié)合溫度調(diào)控實(shí)現(xiàn)全反式構(gòu)象的梯度分布，制備出高性能全有機(jī)電致伸縮納米復(fù)合材料。該材料借助氫鍵作用增強(qiáng)極化響應(yīng)、梯度構(gòu)象實(shí)現(xiàn)類單壓電晶片彎曲驅(qū)動(dòng)，突破了傳統(tǒng)弛豫鐵電聚合物機(jī)械能密度低、驅(qū)動(dòng)應(yīng)變小的缺陷，在100 MV m?1下實(shí)現(xiàn)14.4%的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和1.92 J cm?3的機(jī)械能密度，電致伸縮系數(shù)和機(jī)電耦合因子均大幅提升。

基于該復(fù)合材料制備的昆蟲級(jí)單層仿生驅(qū)動(dòng)器，重量?jī)H約50 mg，無需額外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)毛蟲爬行和蝴蝶飛行兩種運(yùn)動(dòng)模式，具備超高的運(yùn)動(dòng)速度和極低的能耗，爬行功耗3.62 mW、飛行功耗7.98 mW，較同類器件降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且驅(qū)動(dòng)區(qū)域可承載自身20倍重量，解決了傳統(tǒng)昆蟲級(jí)機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、微型化受限的問題。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70165-0

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