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  近日，吉林大學任露泉院士團隊與英國曼徹斯特大學任雷教授團隊的研究人員在《Adv. Funct. Mater.》雜志上聯合報道了一種兼具大形變和快響應的電壓驅動Nafion離子聚合物-金屬復合材料（IPMC）。該文章的通訊作者為英國曼徹斯特大學的任雷教授和吉林大學的梁云虹教授，第一作者為吉林大學的馬愫倩博士。

  近年來，具有高彈性的人工肌肉被廣泛應用于生物醫療和仿生機器人等先進領域。IPMC具有質量輕、制備簡單、驅動電壓低、彎曲特性好等優點，被廣泛應用于人工肌肉。但在實際應用中，往往需要由大變形和快速響應的配合來產生高效制動，而IPMC人工肌肉很難同時實現大形變和快響應，這極大地限制了它們的實際應用。

  在這項工作中，研究人員報道了一種異丙醇輔助化學鍍的方法來制備具有較高質量金屬電極的Nafion IPMC。該Nafion IPMC在較低的直流電壓和交流電壓的驅動下，均能無延遲地做出響應，并產生較大的形變。值得一提的是，當交流電壓的頻率為19 Hz時，該Nafion IPMC在4 V電壓的驅動下，其產生形變的響應時間小于1ms，末端位移的平均速度可達224mm/s，比傳統的IPMC運動速率提高了25倍。

圖1異丙醇輔助化學鍍制備Nafion IPMC的路線圖

  除此之外，研究人員使用一維力傳感器測量了Nafion IPMC彎曲所產生的阻滯力，結果顯示：IPMC尖端的阻滯力隨施加電壓的增大而增大，且阻滯力比傳統的IPMC提高了約10倍。此外，研究人員將重物固定在Nafion IPMC的一端，其最高可承受自重20倍的物體。而且Nafion IPMC臂所提升重物的高度，可以通過調節驅動電壓的大小來精準控制，在未來有望應用于機械臂。 

圖2 Nafion IPMC承重性能測試

  研究人員將兼具大變形和快響應的Nafion IPMC進一步應用于多種模式變形的新型仿生制動器，設計了圖3所示的仿生花，以模仿連翹花的花瓣開合過程。在直流電壓的作用下，仿生花可以實現可逆的花瓣開合行為。

圖3 仿生花瓣

  隨后，研究人員制造了一個仿生藤蔓，以模仿黃瓜藤蔓的卷曲運動。如圖4所示，仿生藤蔓最初是筆直的，當施加電壓后，藤蔓可以無延時地進行快速卷曲，且此過程可逆。

圖4 仿生藤蔓

  除了模擬植物的運動外，研究人員還將Nafion IPMC用于模擬蜻蜓高頻振翅的運動。如圖5所示，Nafion IPMC所制備的蜻蜓翅膀可以在較高頻率的電壓驅動下實現快速振動，這表明Nafion IPMC在大變形和快響應方面具有出色的性能。

圖5 模擬蜻蜓翅膀

  本篇文章中，研究人員所制備的高性能Nafion IPMC在較低電壓的驅動下，同時實現了大形變和快速響應，而且表現了出色的“四兩撥千斤”的多模式驅動性能，能夠模擬花瓣開合、藤蔓卷曲/解開以及高頻蜻蜓翅膀振動等動植物行為。這項技術不僅為大位移和快速響應的輕型致動器的制造鋪平了道路，而且為生物醫學設備和仿生機器人等領域提供了新的技術支持！

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908508