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  機器人除了滿足日常的需要外，還需要在惡劣的環境下工作。對于彈跳機器人的材料設計，需要同時滿足強驅動力，短時間內大的彎曲曲率，良好的環境耐受性。為了解決這一挑戰，南開大學劉遵峰教授、美國德州農工大學方磊教授、中國藥科大學周湘副教授合作，發明了一種具有蝦殼結構的薄膜彈跳驅動器，由共軛的梯狀聚合物poly(indenoquinacridone)（PIQA）和各向異性的碳納米管薄膜（CNS）復合而成。PIQA/CNS薄膜的多孔結構保證了快速吸收和釋放有機蒸汽。得益于梯狀聚合物PIQA的優異穩定性，此驅動器不僅可以承受225°C高溫，而且浸泡在多種有機溶劑中不被腐蝕，甚至可以在濃硫酸中爬行。PIQA/CNS驅動器不僅能夠在復雜惡劣條件下工作，而且為性能優異的彈跳機器人提供了新的設計策略。

  千百年的進化使得自然界中的昆蟲和動物有不同的運動方式，包括行走、爬行、跳躍等。設計能夠實現這些驅動方式的軟體爬行機器人很有意義。相比爬行驅動，強健的彈跳機器人要求更高，需要滿足（1）分子剛性強，能夠有大的驅動力和足夠快的響應速度，（2）高的靈活性以獲得高的彎曲曲率。根據前人的報道，由彈性體或水凝膠組成的膜驅動器雖然彎曲曲率大，但驅動力小速度慢；而基于硬質材料的驅動器可以產生大的速度和驅動力，但是彎曲曲率小，所以同時實現大的驅動力、高的驅動速度和大的彎曲角度是一個挑戰。

  盡管彈跳驅動器也有些許報道，但是有一個問題有待解決，就是需要在惡劣的環境條件下工作。相比普通的單鏈高分子材料，該研究團隊制備了梯狀聚合物PIQA，其有高模量、高的熱穩定性以及抗溶劑能力，其剛性和脆性的弱點，可以通過與CNT復合形成“蝦殼結構”來解決。

  PIQA/CNS的制備過程如下：將PIQA的前體poly(aniline-co-fluorene) (PAF)溶解在甲磺酸中，形成均相溶液，將其滴涂在各向異性的碳納米管膜(化學氣相沉積法得到)上，烘箱150°C處理得到雙層膜，其中PIQA層的一部分可以滲入碳納米管薄膜中，其芳香共軛骨架與碳納米管形成良好的界面。該雙層薄膜可作為雙晶片驅動器，在有機溶劑蒸汽刺激下，PIQA層具有極性官能團(–C=O and –NH)吸收溶劑膨脹，可以作為驅動層；CNS層作為支撐層，從而引起形變驅動。形變產生的內應力使剛性的PIQA層斷裂，但其又緊密貼附在碳納米管層表面，形成“蝦殼結構”。這種結構不僅呈現了PIQA的剛性，能夠實現大的驅動力和驅動速度；也展現了與PIQA緊密連接的CNT膜的柔性，實現了驅動器大的彎曲形變曲率和靈活性。

圖1 具有蝦殼結構的PIQA/CNS薄膜的制備和驅動原理

  令人驚喜的是，PIQA/CNS驅動器的性能十分優異。將其放在二氯甲烷液面上，薄膜在伸展過程的4.33 s彎曲速度602.8 °/s, 彎曲角度261°/mm，在整個9.17s驅動過程中，彎曲速度314.1°/s，彎曲角度288°/mm；當將其放在二氯甲烷蒸汽接近飽和的液面上，在伸展過程0.3s內，彎曲角度188°/mm，彎曲速度6000°/s，整個驅動過程0.58 s內，驅動速度4013.7°/s，彎曲角度234°/mm；當向驅動器吹溶劑蒸汽(22.7 mg/s)時，響應時間0.04 s，驅動速度7875°/s。其最大的彎曲角度288°/mm，最快的響應時間0.04 s，這是現有報道的性能最好的薄膜驅動器之一。

圖2 PIQA/CNS驅動器的驅動性能以及與文獻對比

圖3 PIQA/CNS驅動器的彈跳性能

圖4 PIQA/CNS的耐高溫耐極端溶劑環境性能比較

  該彈跳機器人為機器人和智能裝備在快速響應和實踐操作等方面的設計提供了靈感，其環境耐受性可確保其在極熱或者極端環境條件下運行，例如探測宇宙，登陸月球和火星。此外，這種獨特的設計也為微操控、微芯片、超靈敏檢測揮發性氣體、以及其它仿生應用提供了新的可能。

  本研究在國家自然科學基金、天津市自然科學基金和南開大學相關計劃等資助下完成，成果發表于國際權威期刊Advanced Materials上。南開大學化學學院劉遵峰教授，中國藥科大學周湘副教授，美國德州農工大學方磊教授為該文章的共同通訊作者，于凱晴、季小周和袁天宇為共同第一作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104558

  劉遵峰教授課題組網站：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn/

  方磊教授課題組網站：https://www.chem.tamu.edu/rgroup/fang/