溫?zé)顭?，任明，邸江濤，張錦,＊

1北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國家研究中心，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京 100871

2北京石墨烯研究院，北京 100095

3中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123

4中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院，合肥 230026

1 引言

人工肌肉是一類受外界刺激(光、電、熱等)發(fā)生可逆響應(yīng)形變的智能材料和系統(tǒng)，又稱驅(qū)動器1。依賴機械傳動裝置的傳統(tǒng)驅(qū)動器，例如液壓/氣動驅(qū)動器，是在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的人工肌肉系統(tǒng)。其具有負(fù)載大、可輸出高力矩、動作迅速反應(yīng)快的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以小型化。另一種具有廣泛商業(yè)應(yīng)用的傳統(tǒng)人工肌肉是基于壓電陶瓷的精確控制機構(gòu)——壓電驅(qū)動器，所產(chǎn)生的精確、極小的形變量使其可用在對儀器及控制精密度有高要求的微電子技術(shù)和生物工程等領(lǐng)域2，但同時也嚴(yán)格限制了使用場景。隨著包含物聯(lián)網(wǎng)、人機交互界面、仿生機器人及智能穿戴等領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器已無法滿足先進應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ斯ぜ∪馊嵝?、輕質(zhì)、具有環(huán)境適應(yīng)性以及高的能量轉(zhuǎn)換效率等新要求3,4。因此需開發(fā)集響應(yīng)、驅(qū)動、結(jié)構(gòu)等功能為一體的人工肌肉材料。

得益于材料科學(xué)的蓬勃發(fā)展，科學(xué)家們探索、制備了具有與生物肌肉相似運動功能的仿生人工肌肉材料。生物肌肉由一束肌肉纖維組成，雖然肌肉纖維在刺激下可產(chǎn)生50%的收縮，但在大多數(shù)動物中，由于受到所連接關(guān)節(jié)的限制，該收縮形變通常小于20%，且一塊肌肉能產(chǎn)生的輸出功率主要在0.1-0.5 W·g-1之間1。人工肌肉由生物肌肉所啟發(fā)，卻具備遠(yuǎn)超于生物肌肉的驅(qū)動性能和更多元的驅(qū)動形式。新材料及其制造技術(shù)為能有效實現(xiàn)電能、化學(xué)能、熱能或光能等轉(zhuǎn)化成機械能的人工肌肉的制備提供了多種選擇，并發(fā)展出基于納米復(fù)合材料5、形狀記憶合金及聚合物6,7、介電彈性體8、離子聚合物/金屬復(fù)合材料9、導(dǎo)電聚合物10,11生物質(zhì)纖維12-14等智能材料的人工肌肉1。其中，伴隨著納米材料的制備和表征技術(shù)的發(fā)展，特別是烯碳材料在制備、結(jié)構(gòu)和性能上的巨大突破，由烯碳材料構(gòu)筑而成的人工肌肉的相關(guān)研究推動了該領(lǐng)域的重大發(fā)展5,15-17。

烯碳材料是指由sp2雜化碳原子組成的全碳材料，主要包括碳納米管(CNT)和石墨烯。由于碳碳雙鍵的鍵連方式，理想的CNT與石墨烯具有超高的拉伸強度(＞ 100 GPa)、楊氏模量(～1 TPa)、高熱導(dǎo)率(＞ 3000 W·m·K-1)、高電導(dǎo)率(108S·m-1)和巨大的比表面積等特性18-20。將烯碳材料應(yīng)用于人工肌肉領(lǐng)域，需在微觀和宏觀尺度架起橋梁。一方面以烯碳材料為基本結(jié)構(gòu)單元，利用多種組裝方法構(gòu)筑烯碳材料宏觀組裝體，通過組裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計可將烯碳人工肌肉微觀結(jié)構(gòu)的體積形變轉(zhuǎn)化為彎曲、旋轉(zhuǎn)或伸縮驅(qū)動，從而實現(xiàn)集響應(yīng)、驅(qū)動和結(jié)構(gòu)一體化人工肌肉的制備5,21,22。另一方面可采用烯碳材料為增強賦能的添加相，通過復(fù)合策略，優(yōu)化形狀記憶聚合物、導(dǎo)電高分子、智能水凝膠等人工肌肉材料的驅(qū)動性能，制備基于納米復(fù)合材料的多功能人工肌肉1。由于諸多優(yōu)異的理化性質(zhì)，烯碳材料在人工肌肉中具有獨特的應(yīng)用。例如以具有捻曲結(jié)構(gòu)的CNT紗線為主體材料制備纖維狀人工肌肉，當(dāng)復(fù)合熱變形的客體材料以實現(xiàn)纖維的熱致驅(qū)動時，得益于CNT的電熱、光熱轉(zhuǎn)化能力，人工肌肉纖維還可在外加電壓和光照下發(fā)生形變，具有多源刺激響應(yīng)性23。在產(chǎn)生驅(qū)動形變時，CNT紗線既作為人工肌肉的結(jié)構(gòu)材料，又起到了能量轉(zhuǎn)化的作用，因此集響應(yīng)、驅(qū)動、結(jié)構(gòu)功能為一體。隨著應(yīng)用場景的不斷革新，人工肌肉也向輕量、柔性以及結(jié)構(gòu)-功能-智能一體化發(fā)展。由于自身優(yōu)異的理化特性，烯碳材料在人工肌肉領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

本文從烯碳材料的結(jié)構(gòu)及性能出發(fā)，通過介紹烯碳材料在人工肌肉中的兩大應(yīng)用方向，綜述了烯碳材料在人工肌肉領(lǐng)域的應(yīng)用進展。首先基于烯碳人工肌肉的宏觀表現(xiàn)形態(tài)(一維纖維和二維薄膜)，介紹了烯碳材料組裝體在人工肌肉中的應(yīng)用。接著介紹了烯碳材料作為增強賦能的添加相，在納米復(fù)合材料人工肌肉中的應(yīng)用。最后對人工肌肉的未來發(fā)展進行了展望。

2 烯碳材料人工肌肉

目前科學(xué)家通過各異的途徑與手段，將烯碳材料可控組裝成形式多樣的宏觀材料，實現(xiàn)其性能從微觀到宏觀的傳遞。2002年，清華大學(xué)范守善教授團隊24通過CNT陣列紡絲法，即從高度取向的可紡碳納米管豎直陣列中，連續(xù)拉出CNT，首次制備了CNT纖維。隨后Zhang等25報道了一種基于CNT可紡陣列的拉伸加捻紡絲法，制備碳納米管紡線。目前，陣列紡絲法、化學(xué)氣相沉積直接紡絲法以及濕法紡絲法是CNT纖維的主要制備方法26。2011，浙江大學(xué)高超教授團隊27發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯(GO)的溶致液晶現(xiàn)象，通過濕法紡絲和溶液還原的方法首次制備了石墨烯纖維。隨之發(fā)展出基于GO溶液的干法紡絲、限域水熱法以及薄膜加捻法等石墨烯纖維制備方法28。由于CNT以及石墨烯材料的柔性以及高強度的特征，可通過纖維制備過程直接加捻或者對成型纖維后加捻的方法，使CNT或石墨烯纖維具有一定捻曲結(jié)構(gòu)17,29。除了宏觀的一維纖維材料以外，CNT與石墨烯還可通過多種制備方法組裝成二維薄膜材料30,31。以烯碳材料為基本構(gòu)筑基元的纖維、薄膜在展現(xiàn)出優(yōu)異力學(xué)性能的同時，還兼具高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點，且組裝體的結(jié)構(gòu)及性能可調(diào)控性高，因此在要求材料具有結(jié)構(gòu)功能一體化的領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。烯碳纖維及薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，為基于烯碳材料的高性能人工肌肉的設(shè)計與制備奠定了堅實的基礎(chǔ)。

烯碳材料組裝結(jié)構(gòu)和微觀形貌的差異，使其作為人工肌肉應(yīng)用時，展現(xiàn)出不同的驅(qū)動形式及驅(qū)動性能。本節(jié)將基于烯碳材料人工肌肉的宏觀表現(xiàn)形態(tài)，包含一維纖維和二維薄膜，討論烯碳材料在集響應(yīng)、驅(qū)動和結(jié)構(gòu)功能為一體的人工肌肉中的應(yīng)用。

2.1 纖維狀烯碳人工肌肉

人工肌肉材料在外加刺激下發(fā)生的可逆體積形變，是其產(chǎn)生驅(qū)動行為的基礎(chǔ)。2004年，Baughman教授團隊32采用濕法紡絲技術(shù)制備了單壁碳納米管/聚乙烯醇(SWNT/PVA)纖維，通過熱解除去PVA后，所得纖維在電化學(xué)池中受外加電壓刺激發(fā)生體積膨脹/收縮，產(chǎn)生高達(dá)26 MPa的應(yīng)力(自然肌肉的100倍)，該形變主要來源于離子在纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可逆注入與排出。利用DNA使SWNT解纏結(jié)可增加CNT纖維與離子作用的有效面積，并實現(xiàn)SWNT的交聯(lián)，所得DNA/SWNT復(fù)合纖維受電化學(xué)驅(qū)動可產(chǎn)生～0.12%的體積膨脹與收縮(圖1a)33。相比于上述SWNT纖維，DNA的交聯(lián)降低了復(fù)合纖維的蠕變行為，提高了驅(qū)動的可逆性(圖1b)。隨后通過復(fù)合聚吡咯(PPy)34，纖維素35、碳顆粒36等材料，發(fā)展出多種具有膨脹/收縮形變的CNT復(fù)合纖維人工肌肉。實際上，受結(jié)構(gòu)限制，這一類CNT纖維材料的驅(qū)動行為僅來源于簡單纖維結(jié)構(gòu)的體積膨脹與收縮，因此產(chǎn)生的形變量小(圖1b)，驅(qū)動效果差，難以滿足復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。

圖1 膨脹收縮和彎曲驅(qū)動的烯碳纖維人工肌肉Fig. 1 Carbonene artificial muscle fibers with expansion/shrinkage and bending actuation.

烯碳材料的組裝和纖維制備技術(shù)的發(fā)展，催生了新型纖維狀烯碳人工肌肉。得益于特殊的組裝結(jié)構(gòu)，新型纖維狀烯碳人工肌肉可將材料的體積膨脹與收縮擴展為更豐富的驅(qū)動形式(彎曲、旋轉(zhuǎn)和伸縮驅(qū)動)并獲得優(yōu)異的驅(qū)動效果。例如通過構(gòu)筑纖維的不對稱結(jié)構(gòu)，可制備具有大彎曲形變的烯碳纖維。在烯碳纖維中引入捻曲結(jié)構(gòu)，可將外界刺激引起的體積形變轉(zhuǎn)換為纖維徑向的轉(zhuǎn)動和軸向的收縮，從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)和伸縮驅(qū)動。烯碳纖維人工肌肉的運動形式取決于組裝結(jié)構(gòu)，因此本節(jié)將按照人工肌肉運動形式的分類(彎曲、旋轉(zhuǎn)和伸縮驅(qū)動)，介紹具有不同組裝結(jié)構(gòu)的烯碳材料在纖維狀人工肌肉中的應(yīng)用。

2.1.1 彎曲驅(qū)動的烯碳纖維人工肌肉

Cheng等37用激光加工GO纖維，使得部分區(qū)域還原，構(gòu)筑具有不對稱結(jié)構(gòu)的石墨烯/氧化石墨烯(G/GO)纖維(圖1c，d)。石墨烯和氧化石墨烯片層上含氧官能團數(shù)量的差異，造成兩者具有截然不同的親疏水性能。因此當(dāng)暴露在濕度環(huán)境下，親水的GO組分吸附水分子發(fā)生體積膨脹，而G組分不發(fā)生明顯形變，由于纖維兩側(cè)表面形變量不一致，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，纖維發(fā)生彎曲，即實現(xiàn)彎曲驅(qū)動(圖1e-h)。將纖維的一端固定，當(dāng)環(huán)境相對濕度從25%提升到80%時，纖維的彎曲角度可由0°迅速增加至140°。Wang等38在石墨烯纖維一側(cè)電鍍一層PPy，制備了具有不對稱結(jié)構(gòu)的石墨烯/PPy復(fù)合纖維。導(dǎo)電高分子PPy在不同電壓下進行摻雜與去摻雜時，可通過離子的遷移產(chǎn)生體積形變，而石墨烯在電解液中由于電化學(xué)雙電層充放電過程，也會產(chǎn)生體積形變。因此石墨烯/PPy復(fù)合膜可受外加電壓刺激發(fā)生彎曲驅(qū)動。石墨烯在復(fù)合纖維中既作為導(dǎo)電組分，又是驅(qū)動的主體材料。

不對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計是人工肌肉產(chǎn)生彎曲驅(qū)動的關(guān)鍵。對于纖維狀人工肌肉而言，其彎曲驅(qū)動的研究并不多，學(xué)者更關(guān)注具有更高能量轉(zhuǎn)換效率、功率密度的旋轉(zhuǎn)和伸縮致動。更多的關(guān)于彎曲致動的結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用將在下節(jié)二維薄膜狀烯碳人工肌肉部分進行介紹。

2.1.2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的烯碳纖維人工肌肉

Baughman教授團隊17在人工肌肉領(lǐng)域取得許多開創(chuàng)性的成果。2011年，他們首先報道了可用作旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的CNT紗線。隨著捻度增加，具有捻曲結(jié)構(gòu)的CNT紗線內(nèi)部產(chǎn)生扭矩，而紗線可通過體積變化實現(xiàn)內(nèi)部扭矩的平衡。此時，解捻的過程使纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(圖2a，b)。值得注意的是，僅有纖維狀的人工肌肉才可發(fā)生旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

將扭曲的CNT紗線作為工作電極浸入電解液中，電解質(zhì)離子和溶劑化物質(zhì)在外加電壓作用下，從電解液遷入CNT紗線內(nèi)部引起紗線體積膨脹和結(jié)構(gòu)解捻，驅(qū)使CNT紗線發(fā)生轉(zhuǎn)動17。若CNT紗線僅是一端固定，另一端連著可自由轉(zhuǎn)動的旋漿(圖2c)，該人工肌肉需經(jīng)過多次循環(huán)后才可獲得可逆的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，而該過程降低了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的驅(qū)動量。為了提高轉(zhuǎn)動的可逆性，他們開發(fā)了一種兩端固定的CNT紗線人工肌肉構(gòu)型，即將CNT紗線下半部分浸入電解液中，下端完全固定，上端連接一個力/距離傳感器，可上下移動并保持固定應(yīng)力(圖2d)。當(dāng)浸入電解液的CNT紗線發(fā)生解捻時，下部分失去的捻度作為上捻轉(zhuǎn)移到上部分。撤去外加電壓后，上部分CNT紗線可作為復(fù)位彈簧，將捻度傳回下部分，從而實現(xiàn)完全的可逆旋轉(zhuǎn)。若將可自由旋轉(zhuǎn)的旋漿置于兩部分中間，則旋漿可在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和回復(fù)的過程中發(fā)生相反方向的旋轉(zhuǎn)。該CNT人工肌肉能夠在1.2 s內(nèi)加速旋漿轉(zhuǎn)動(驅(qū)動電壓5 V)，轉(zhuǎn)速高達(dá)590 r·min-1，產(chǎn)生與大型商用電機可比的單位質(zhì)量的力矩和機械功率，可用作微流體攪拌器件(圖2e)。但該人工肌肉在88 MPa載荷下僅產(chǎn)生1%的收縮驅(qū)動。由此可見，這類加捻結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生良好的轉(zhuǎn)動驅(qū)動效果，但收縮驅(qū)動量小。因此加捻結(jié)構(gòu)一般用作旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

圖2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的烯碳纖維人工肌肉Fig. 2 Carbonene artificial muscle fibers with torsional actuation.

上述電化學(xué)驅(qū)動的人工肌肉雖然僅需較低電壓就可產(chǎn)生驅(qū)動效果，但使用時需依賴電解液。電解液較大的體積與質(zhì)量，降低了整個驅(qū)動系統(tǒng)的體積和能量密度。Lee等39將涂覆有凝膠電解質(zhì)的兩條低捻度CNT紗線攪合在一起，實現(xiàn)陽極和陰極人工肌肉驅(qū)動行程的匹配，得到在環(huán)境中工作的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動全固態(tài)人工肌肉(圖2f)。該人工肌肉在5 V的外加方波電壓下，轉(zhuǎn)速可達(dá)2330 r·min-1。

具有加捻結(jié)構(gòu)烯碳纖維的轉(zhuǎn)動驅(qū)動來源于纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙擴大而產(chǎn)生的解捻，因此在設(shè)計具有加捻結(jié)構(gòu)的纖維狀人工肌肉時，可采用加捻的烯碳纖維為主體結(jié)構(gòu)，利用其他能夠在其結(jié)構(gòu)間隙中可逆注入與脫除的分子(例如水)29,40作為外界刺激，實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)動驅(qū)動，另一個途徑則是以能夠在外界刺激下發(fā)生可逆形變的材料為客體材料，與加捻烯碳纖維復(fù)合，從而制備得到具有不同刺激響應(yīng)的轉(zhuǎn)動驅(qū)動人工肌肉23,41-46。

Cheng等29對GO氣凝膠進行加捻，制備濕度驅(qū)動的轉(zhuǎn)動人工肌肉(圖2g，h)。由于GO表面具有豐富的羧基、羥基等含氧官能團，使其可快速吸附環(huán)境濕度中的水分子，產(chǎn)生體積膨脹，發(fā)生轉(zhuǎn)動驅(qū)動，該濕度驅(qū)動的人工肌肉在3.5 s內(nèi)轉(zhuǎn)速可達(dá)5190 r·min-1。利用氧等離子體對加捻的CNT紗線進行表面親水化處理，同樣可以獲得對水/蒸汽具有響應(yīng)性的轉(zhuǎn)動CNT人工肌肉(圖2i)40。

Baughman教授團隊23以具有高熱膨脹系數(shù)的石蠟為客體材料，制備了CNT復(fù)合紗線。該人工肌肉可在15 Hz，40 V·cm-1的方波電壓刺激下循環(huán)驅(qū)動200萬次，且平均轉(zhuǎn)速達(dá)11500 r·min-1。隨后他們將石蠟和聚苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-聚苯乙烯(SEBS)共聚物復(fù)合，優(yōu)化客體材料組分，制備了具有精確和快速定位的旋轉(zhuǎn)人工肌肉，轉(zhuǎn)速最高達(dá)9800 r·min-1，并展示了該人工肌肉在旋轉(zhuǎn)鏡陣列(可快速在水平/垂直鏡面間切換)中的應(yīng)用(圖2j)41。此外，客體材料還可擴展為聚丁二炔、聚乙二醇(電熱驅(qū)動)、鈀(氫氣吸脫附驅(qū)動)23、聚丙烯酸鈉(近紅外光驅(qū)動)42、海藻酸鈉(光驅(qū)動)43、含葡萄糖氧化酶的熱響應(yīng)水凝膠聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAm，由于酶的放熱催化效應(yīng)，復(fù)合人工肌肉可由葡萄糖引起體積形變)44等材料，豐富了具有轉(zhuǎn)動驅(qū)動人工肌肉纖維的應(yīng)用場景，例如用作檢測濕度、氣體、生物分子的傳感器。

在制備具有主客體結(jié)構(gòu)的烯碳纖維人工肌肉時，除了采用直接浸潤法實現(xiàn)客體材料與烯碳纖維的復(fù)合外，還可匹配烯碳纖維的干法和濕法紡絲過程制備復(fù)合紗線45,46。針對不適用于干法、濕法過程的客體材料，Lima等47開發(fā)出主客體雙紡法制備復(fù)合CNT紗線，即利用從CNT豎直陣列中抽出的CNT氣凝膠薄膜具有高機械強度及大比表面積的特征，將客體材料附著在薄膜表面，結(jié)合后續(xù)的加捻紡絲過程，制備復(fù)合CNT紗線(圖3a-d)。

圖3 主客體雙紡法制備復(fù)合CNT紗線Fig. 3 Fabrication of composite carbonene yarns by biscrolling.

2.1.3 伸縮驅(qū)動的烯碳纖維人工肌肉

Zhang等25從豎直CNT陣列中抽膜、加捻并編織得到加捻CNT的單紗紡線、兩股的CNT螺旋紡線、四股、針織和打結(jié)CNT紡線，并深入研究其力學(xué)性能。加捻及編織后的CNT紡線具有高韌性，有趣的是，螺旋結(jié)構(gòu)的CNT紡線還具有大的泊松比。隨著應(yīng)變增大，加捻CNT紡線的泊松比由2.0增加至2.7，而兩股的CNT螺旋紡線則由3.3增大至4.2(圖4a-c)。即螺旋結(jié)構(gòu)可進一步放大紡線在截面/體積變化下，引起的長度方向的形變，為通過體積變化實現(xiàn)大應(yīng)變的伸縮驅(qū)動人工肌肉的制備提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。而過度加捻的纖維可自發(fā)地形成螺旋結(jié)構(gòu)(圖4d)39。基于螺旋結(jié)構(gòu)人工肌肉的伸縮形變本質(zhì)也是捻曲結(jié)構(gòu)的解捻，因此為了獲得伸縮形變，需防止纖維紗線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，才可通過螺旋結(jié)構(gòu)將徑向的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為軸向的收縮。順著纖維扭轉(zhuǎn)方向進一步過度扭曲得到的加捻螺旋線圈具有同手性結(jié)構(gòu)，而旋向與纖維扭轉(zhuǎn)方向相反的則具有異手性結(jié)構(gòu)。對于同手性結(jié)構(gòu)的螺旋線圈，當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)生解旋力矩時，螺旋線圈間距收縮變小，發(fā)生收縮變形；而異手性結(jié)構(gòu)的螺旋線圈則發(fā)生伸長變形(圖4e)48。

圖4 螺旋結(jié)構(gòu)紗線的力學(xué)性能、制備及驅(qū)動Fig. 4 Mechanical properties, fabrication and tensile actuation of coiled fibers.

Lee等39將兩根涂覆有凝膠電解質(zhì)(硫酸/PVA)的螺旋CNT紗線絞合，制備的全固態(tài)伸縮驅(qū)動人工肌肉最大收縮形變?yōu)?.3%，可拉動自身重量25倍的重物(圖5a)。隨后Lee等49從電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉的原理出發(fā)，即電荷注入導(dǎo)致紗線體積膨脹，提出由于大的離子半徑，有機電解質(zhì)可為電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉提供更高的體積形變以優(yōu)化驅(qū)動效率。他們探討了不同有機電解質(zhì)對驅(qū)動效果的影響，發(fā)現(xiàn)具有螺旋結(jié)構(gòu)的CNT紗線在液態(tài)的四氟硼酸四乙基銨鹽(TEA·BF4)電解質(zhì)中可獲得高達(dá)16.5%的收縮形變(圖5b)。進一步引入固體電解質(zhì)，設(shè)計具有平行和編織結(jié)構(gòu)的人工肌肉(圖5c，d)，其收縮形變分別達(dá)11.6%和5%。在電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉中，有機電解質(zhì)雖具有高電化學(xué)窗口和大離子半徑的優(yōu)點，但其使用也受限于自身的毒性、高價格、低離子電導(dǎo)率的缺點。因此也發(fā)展出具有快速驅(qū)動響應(yīng)，基于無機液體電解質(zhì)的人工肌肉50。由于反向離子的嵌入和遷出，電化學(xué)驅(qū)動CNT人工肌肉的體積變化不隨掃描電壓發(fā)生單調(diào)性變化，即驅(qū)動應(yīng)變與掃描電壓間呈現(xiàn)“雙極”關(guān)系，且驅(qū)動性能隨掃描速率增加而降低。Chu等51通過聚電解質(zhì)功能化策略，改變了電化學(xué)驅(qū)動CNT人工肌肉的零電位點，實現(xiàn)了單一離子的嵌入與遷出(圖5e，f)，并解決了驅(qū)動性能對工作電極電容特性的依賴。制備的人工肌肉能夠在高頻下響應(yīng)(10 Hz)，且在低電壓下(1 V)可實現(xiàn)高功率密度(8.17 W·g-1)，高應(yīng)變(3.85%-18.6%)的驅(qū)動。

與上述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動纖維狀人工肌肉類似，通過客體材料的設(shè)計，可制備具有不同刺激源響應(yīng)性的伸縮驅(qū)動纖維狀人工肌肉。螺旋結(jié)構(gòu)的CNT紗線經(jīng)過乙醇浸潤后可保持結(jié)構(gòu)完整性，因此可通過吸附多種溶劑產(chǎn)生驅(qū)動信號52，該結(jié)構(gòu)除了由CNT紗線構(gòu)成外，還可是CNT與石墨烯53、還原氧化石墨烯(rGO)50或GO54的復(fù)合紗線。采用硅膠作為客體材料，復(fù)合CNT螺旋卷繞紗線可因吸附、脫附丙酮實現(xiàn)2 MPa應(yīng)力下50%的可逆收縮55。Jin等56利用自合股的方式制備了具有穩(wěn)定螺旋結(jié)構(gòu)的人工肌肉。該人工肌肉像天然肌肉一樣，在未發(fā)生驅(qū)動時處于無張力狀態(tài)且吸附丙酮等有機溶劑后能夠產(chǎn)生約13.3%的收縮變形。采用親水性高分子為客體材料時，復(fù)合紗線可由水或者相對濕度變化進行驅(qū)動(圖5g)45,57。

圖5 伸縮驅(qū)動的烯碳纖維人工肌肉Fig. 5 Carbonene artificial muscle fibers with tensile actuation.

除了受電化學(xué)和溶劑吸附驅(qū)動外，人工肌肉還可由溫差驅(qū)動。Lima等23制備的兩端固定，復(fù)合石蠟的螺旋結(jié)構(gòu)CNT紡線在脈沖時間為50 ms，18.3 V·cm-1的電壓加熱下，可提升相當(dāng)于自身重量17700倍的重物，產(chǎn)生3%的收縮應(yīng)變并循環(huán)運行超過140萬個周期。進一步增大通電電壓，減小脈沖時間，可優(yōu)化其驅(qū)動性能。在脈沖時間為15 ms，32 V·cm-1的電壓加熱下，復(fù)合紗線所提重物重量提高至自身重量的175000倍(收縮應(yīng)變～1%)。收縮過程做功0.836 J·g-1，對應(yīng)輸出功率密度為27.9 W·g-1，是哺乳動物骨骼肌輸出功率(0.323 W·g-1)的85倍。基于溫差驅(qū)動發(fā)生伸縮形變的人工肌肉，其客體材料還可擴展為彈性體和甲醇的混合物58、熱塑性聚氨酯樹脂59、環(huán)氧樹脂60等。

在常規(guī)的主客體結(jié)構(gòu)中，客體材料的復(fù)合方式是從內(nèi)到外均勻地填充在CNT紗線間隙中。而Baughman教授團隊61研究發(fā)現(xiàn)，人工肌肉在對外輸出機械能時，纖維紗線中心部分的纖維做功甚少，其外層是提供機械能輸出的主要部分。且無論是基于熱驅(qū)動、電化學(xué)驅(qū)動或者溶劑驅(qū)動，所需的刺激如熱量、電荷及溶劑分子，在紗線內(nèi)部和外部的傳輸均需要較長時間，是限制人工肌肉纖維響應(yīng)速度的一大原因。因此Baughman教授團隊61提出了一種新型的人工肌肉結(jié)構(gòu)——鞘-芯雙層結(jié)構(gòu)(圖6a-e)。內(nèi)芯采用加捻或螺旋卷繞的CNT紗線，鞘層選用聚(環(huán)氧乙烷)與四氟乙烯和乙烯基醚磺酰氟(SFVE)共聚物的混合物(PEO-SO3)，或者彈性聚氨酯(PU)等，所制備的PEO-SO3@CNT人工肌肉在空氣中通過吸收乙醇蒸汽驅(qū)動或電熱致動，最大可分別產(chǎn)生4.44 W·g-1(收縮形變～13%)和2.6 W·g-1(收縮形變～8.2%)的平均收縮功率密度，相比常規(guī)的主客體復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將人工肌肉的工作能力提高了1.7-2.15倍。Ren等62構(gòu)筑了一種離子液體填充納米纖維鞘層的螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合CNT紗線，通過自絞合和剪切組裝成電化學(xué)驅(qū)動的人工肌肉(圖6f)，該人工肌肉具有良好的穩(wěn)定性及驅(qū)動性能，在0.05 Hz的電壓頻率下，收縮應(yīng)變達(dá)到11.6%，與彈簧集成可制備具有抓取、保持并釋放重物能力的三爪抓手。為了使整個紗線體積都可實現(xiàn)有效的驅(qū)動，Wang等63將四股CNT紗線加捻，設(shè)計了一種內(nèi)部具有高捻度結(jié)構(gòu)的人工肌肉纖維。在3.0 V電壓驅(qū)動下，液體電解質(zhì)中的CNT紗線可在5 s內(nèi)產(chǎn)生62.4%的收縮形變，舉起相當(dāng)于紗線重量10000倍的重物。

圖6 鞘-芯雙層結(jié)構(gòu)的烯碳人工肌肉纖維Fig. 6 Carbonene artificial muscle fibers with sheath-core structures.

2.2 薄膜狀烯碳人工肌肉

Baughman教授團隊64發(fā)現(xiàn)從豎直陣列直接抽出的CNT氣凝膠膜在電刺激下可產(chǎn)生面內(nèi)形變(圖7a)。對真空中的CNT膜兩端施加2 kV電壓，膜的溫度超過1000 °C，此時膜在長度方向發(fā)生1%的收縮，并產(chǎn)生～10 MPa的收縮應(yīng)力，同時寬度方向伸長60%。二維薄膜材料的面內(nèi)形變往往存在變形量小的問題，且長度/寬度方向形變的驅(qū)動方式在實際場景中的應(yīng)用有限。而對于薄膜材料的彎曲驅(qū)動，其驅(qū)動形式可設(shè)計、可編程，具有多樣性。烯碳材料由于自身優(yōu)異的力學(xué)性能以及柔性特征，是制備薄膜材料的理想構(gòu)筑基元。因此基于烯碳材料且具有不對稱結(jié)構(gòu)的二維薄膜，是一類受廣泛關(guān)注及研究的彎曲驅(qū)動器，本節(jié)將重點討論驅(qū)動形式為彎曲致動的薄膜狀人工肌肉。

2.2.1 全烯碳材料的薄膜驅(qū)動器

1999年，Baughman等65首次報道了基于SWNT膜的電化學(xué)驅(qū)動器。當(dāng)對SWNT施加電壓時，大量電荷注入CNT，此時溶液中帶相反電荷的離子會吸附在CNT表面，由于離子的注入以及離子間的靜電排斥，SWNT管發(fā)生伸長及膨脹。不同離子的排斥力不同，導(dǎo)致兩側(cè)SWNT膜的形變不一致，從而整體產(chǎn)生彎曲驅(qū)動(圖7b，c)。Qu教授團隊66分別用氧等離子體和正己烷等離子體處理rGO膜兩側(cè)，構(gòu)筑了兩側(cè)分別具有親水(接觸角約為15°)和疏水(接觸角約為90°)結(jié)構(gòu)的不對稱rGO薄膜。在水性電解質(zhì)中，兩側(cè)電化學(xué)活性的差異導(dǎo)致薄膜在電壓驅(qū)動下產(chǎn)生不對稱形變，發(fā)生彎曲(彎曲率最大為0.6 cm-1) (圖7d，e)。Ruoff課題組67用真空抽濾方法制備了GO/CNT雙層膜驅(qū)動器，由于CNT因表面疏水對濕度不敏感，而GO的層間距可隨濕度發(fā)生變化，即GO薄膜可吸水發(fā)生體積形變。因此復(fù)合膜能夠隨濕度變化產(chǎn)生不同程度的彎曲。GO片層上的含氧官能團使其具有良好的親水性，其組裝體可由于片層在不同溫度和濕度下發(fā)生水分的吸脫附而產(chǎn)生形變，且形變能力取決于GO片層的含氧官能團數(shù)量68。一方面，通過控制成膜過程中不同結(jié)構(gòu)GO片層的遷移可構(gòu)筑具有梯度含氧官能團結(jié)構(gòu)的GO薄膜69。另一方面通過直接制備或者對GO薄膜進行單側(cè)還原，可得到GO/rGO不對稱薄膜70-73。這些內(nèi)部片層具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的石墨烯基薄膜，都能在溫度/濕度驅(qū)動下發(fā)生彎曲變形。此外，Qu教授團隊74研究表明，在光滑基底上GO溶液通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝所得的薄膜具有不對稱結(jié)構(gòu)，靠近基底一側(cè)由于基底的誘導(dǎo)作用表面光滑，而與空氣接觸一側(cè)在溶劑揮發(fā)的誘導(dǎo)下會相對粗糙(圖7f-h)，該單層薄膜同樣可受濕度驅(qū)動。

2.2.2 基于烯碳材料的異質(zhì)雙層膜驅(qū)動器

相比于具有梯度/不對稱化學(xué)結(jié)構(gòu)的純烯碳薄膜驅(qū)動器，異質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器得益于兩層材料形變能力的顯著差異，可獲得更高的彎曲形變能力。烯碳材料薄膜為異質(zhì)雙層膜驅(qū)動器中的一層時，除了作為提供形變的驅(qū)動層外，還可由于自身的電導(dǎo)性、電熱轉(zhuǎn)化和光熱轉(zhuǎn)化能力賦予雙層膜電、光刺激響應(yīng)能力。對于異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的薄膜驅(qū)動器，雙層膜間的界面相互作用強弱，決定了雙層膜結(jié)構(gòu)在反復(fù)彎曲驅(qū)動過程中的穩(wěn)定性，材料的選擇和界面設(shè)計是構(gòu)筑雙層膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動器中的關(guān)鍵問題。

Qu教授團隊75利用rGO與PPy在電解液中可受外加電壓刺激發(fā)生形變的特征，制備了電化學(xué)驅(qū)動的rGO/PPy雙層薄膜，其彎曲率可達(dá)1 cm-1。為了使沉積的PPy層與rGO結(jié)合的更緊密，該工作在電沉積前利用氧等離子體對rGO表面進行了親水化處理。同樣的，基于CNT/PPy雙層結(jié)構(gòu)的薄膜也具有電化學(xué)驅(qū)動性能76。Shi等77在GO膜上蒸鍍一層金膜，利用金的導(dǎo)電性，對驅(qū)動器通電使其溫度升高，結(jié)合GO受熱產(chǎn)生形變和金膜熱膨脹系數(shù)低的特征，制備了電熱響應(yīng)的彎曲驅(qū)動器。進一步通過激光加工使復(fù)合膜獲得特定的形狀，可構(gòu)造模仿豬籠草的雙層膜驅(qū)動器。Xu等78以小尺寸的GO(SGO)為熱致收縮層，聚偏二氟乙烯(PVDF)為熱膨脹層，通過刮涂法制備了雙層膜驅(qū)動器。結(jié)合兩個熱膨脹系數(shù)相反的材料，提高了雙層膜的熱致彎曲驅(qū)動效果。由于SGO可以對濕度、熱同時發(fā)生響應(yīng)，且具有光熱效應(yīng)，因此構(gòu)造的驅(qū)動器能同時被多種刺激源(濕度、熱、光)驅(qū)動，并展示出良好的驅(qū)動性能。綜合石墨烯和特定排列CNT具有的負(fù)熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)電性的特點，通過復(fù)合聚二甲基硅氧烷(PDMS)等熱變形材料,可制備焦耳熱響應(yīng)的彎曲驅(qū)動器，進一步可設(shè)計出能負(fù)重行走的軟體機器人(如圖7i)79，以及抓舉重物的機械爪(如圖7j)80,81。

圖7 基于烯碳材料的薄膜狀人工肌肉Fig. 7 Artificial muscle films based on carbonene materials.

2.2.3 基于三明治結(jié)構(gòu)的彎曲驅(qū)動器

烯碳材料的二維組裝體薄膜，具有高電導(dǎo)率、柔性以及耐酸堿等優(yōu)點，是一種良好的柔性集流體以及電極材料30,82,83?；陔x子聚合物-金屬復(fù)合材料(IPMC)的人工肌肉具有三明治結(jié)構(gòu)，其由膜狀的離子聚合物骨架和鍍在兩側(cè)表面的貴金屬電極組成。對IPMC薄膜施加電壓時，薄膜向陽極彎曲產(chǎn)生驅(qū)動。為保證電極的導(dǎo)電性良好，同時具有化學(xué)惰性，不被電解液腐蝕，傳統(tǒng)的IPMC一般采用貴金屬鉑或者金作為電極，因此驅(qū)動器造價昂貴。金屬在反復(fù)彎折后容易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致中間層的電解質(zhì)泄露，降低了驅(qū)動器性能和使用壽命(圖8a)84。烯碳材料的出現(xiàn)使IPMC人工肌肉中的金屬電極有了理想的替代品，并促使其獲得長足的發(fā)展16,84-88。

Li等85通過熱壓的方法，構(gòu)筑了兩側(cè)為自支撐SWNT薄膜，中間為殼聚糖/聚離子液體電解質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)驅(qū)動器。由于SWNT的多孔結(jié)構(gòu)及其與其他組分間良好的相容性，SWNT電極與中間電解液層結(jié)合緊密，且SWNT自身優(yōu)異的力學(xué)性能也有效提高了復(fù)合驅(qū)動器的強度與模量。SWNT的高電導(dǎo)率和高比較面積，加快了電極之間的電荷注入和離子遷移速度，賦予驅(qū)動器大而快的彎曲響應(yīng)形變。該驅(qū)動器可在19 ms內(nèi)受激發(fā)生形變，使用頻率范圍在幾十到數(shù)百赫茲。

Im等86以Nafion膜為中間絕緣層，兩側(cè)通過物理接觸結(jié)合石墨烯膜，制備的三明治結(jié)構(gòu)薄膜可獲得彎曲率最高為0.3 cm-1的彎曲驅(qū)動效果。薄膜中石墨烯與中間絕緣層結(jié)合力弱，因此其三明治結(jié)構(gòu)易由于反復(fù)的彎曲變形而破壞，降低了驅(qū)動器的循環(huán)使用壽命。Kim等84用激光處理rGO的一面使其粗糙化，增強其與聚合物中間層的結(jié)合力(圖8b)，制備得到的彎曲驅(qū)動器可以在4.5 V電壓下穩(wěn)定循環(huán)驅(qū)動360次，且性能無明顯下降。除了用于替換IPMC中的金屬電極以外，烯碳薄膜也可用作驅(qū)動介電彈性體發(fā)生形變的電極材料89,90。

圖8 IPMC與IPGC的結(jié)構(gòu)Fig. 8 Schematic representations of the structures of IPMC and IPGC.

3 烯碳材料在人工肌肉中的復(fù)合功能化應(yīng)用

烯碳材料由于具有高強度、高模量及高比表面積的特征，且可利用多種手段實現(xiàn)表面修飾從而為烯碳材料與其他材料提供豐富的相互作用形式(離子鍵、氫鍵、π-π相互作用以及共價鍵等單一或多種協(xié)同作用)。因此，烯碳材料可用作復(fù)合材料中的增強相，通過與基體間的相互作用，耗散應(yīng)力從而達(dá)到復(fù)合增強的目的91。對于其他力學(xué)性能較弱的人工肌肉材料，可通過復(fù)合烯碳材料提高力學(xué)性能以獲得穩(wěn)定的驅(qū)動結(jié)構(gòu)35。此外，得益于烯碳材料的高導(dǎo)電性和光熱、電熱轉(zhuǎn)化能力，復(fù)合了烯碳材料的人工肌肉，可由單一刺激源擴展為多重刺激響應(yīng)，并且具有可編程的響應(yīng)形變及感知能力。

3.1 增強及擴展刺激響應(yīng)功能

形狀記憶材料，例如形狀記憶合金、形狀記憶高分子以及形狀記憶陶瓷等，因具有形狀記憶效應(yīng)(在外界刺激下恢復(fù)為變形前的形狀)，可用作人工肌肉材料。Yuan等92對處于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的PVA纖維實施加捻，隨后降溫將捻應(yīng)力固定。當(dāng)再次加熱到玻璃化溫度以上，就可實現(xiàn)解捻。該工作結(jié)合PVA的形狀記憶效應(yīng)和捻曲技術(shù)，制備了扭矩平衡的熱驅(qū)動轉(zhuǎn)動人工肌肉。通過復(fù)合SWNT和GO，纖維室溫下的楊氏模量分別增加至13.5和12.5 GPa (純的PVA纖維剪切模量：4.9 GPa)(圖9a)，獲得了更高的驅(qū)動功率密度和驅(qū)動扭矩。PVA-GO和PVA-SWNT纖維人工肌肉可分別產(chǎn)生～0.27和0.12 μN·m的扭矩，2.766和1.115 J·g-1的能量密度，遠(yuǎn)高于純的PVA人工肌肉(扭矩：0.11 μN·m；能量密度：0.925 J·g-1) (圖9b)。由于GO具有二維片層結(jié)構(gòu)，因此相比于SWNT，對PVA扭轉(zhuǎn)性能的改善更為明顯。

介電彈性體是一種介電常數(shù)高且具有彈性的聚合物。當(dāng)向其薄膜兩側(cè)施加電壓時，帶相反電荷電極間的相互吸引力使薄膜壓縮，而同一側(cè)由于相同電荷的排斥力使薄膜伸長，即發(fā)生電驅(qū)動。通過復(fù)合烯碳材料，可使介電彈性體的機電性能發(fā)生變化93,94。例如Wang等93將多壁CNT填充到介電彈性體中，獲得了力學(xué)性能和導(dǎo)電性得到提高的復(fù)合材料，相比與純的介電彈性體驅(qū)動器，復(fù)合材料驅(qū)動器可在更低電壓刺激下產(chǎn)生更高的形變(28%) (圖9c)。

圖9 用于增強與賦能人工肌肉的烯碳材料Fig. 9 Mechanical enhancements and multi-functionalization of artificial muscles by carbonene materials.

刺激響應(yīng)水凝膠中交聯(lián)的高分子網(wǎng)絡(luò)可在外界刺激下(熱、pH、光、電場及生物分子等)可逆吸收/排除水分發(fā)生溶脹/收縮從而產(chǎn)生體積形變，是一種典型的軟體驅(qū)動器。雖然水凝膠對外輸出的驅(qū)動力非常小，但巨大的體積形變是其優(yōu)勢。PNIPAm是具有良好熱響應(yīng)的水凝膠，但透明的特性使其對光無響應(yīng)，而光驅(qū)動器具有可以遠(yuǎn)程操控等優(yōu)點。將GO或rGO與PNIPAm復(fù)合，既能增強水凝機械強度，又可利用GO/rGO的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)實現(xiàn)水凝膠的光熱驅(qū)動。基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的水凝膠具有光致彎曲的性能，例如GO/PNIPAm和PNIPAm雙層結(jié)構(gòu)水凝膠受光照后在約75 s內(nèi)發(fā)生彎曲驅(qū)動，具有梯度GO含量的GO/PNIPAm水凝膠彎曲率最高能到2.4 cm-1，以及rGO/PNIPAm和聚丙烯酰胺組成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)水凝膠在光強為63 mW·cm-2時，彎曲率可達(dá)120 cm-1，響應(yīng)時間為30 s95。半晶態(tài)聚合物在受熱時，內(nèi)部結(jié)晶區(qū)域會發(fā)生體積膨脹而無定形的分子鏈則發(fā)生長度方向的收縮。因此高度取向的半晶態(tài)聚合物纖維，例如聚乙烯和尼龍纖維，受熱時會發(fā)生長度收縮并伴隨著直徑膨脹。Baughman教授團隊48將捻曲技術(shù)應(yīng)用在尼龍6，6纖維上，制備了具有螺旋結(jié)構(gòu)的尼龍纖維人工肌肉。尼龍纖維受熱發(fā)生形變可使加捻結(jié)構(gòu)解捻，因此該纖維可在溫度刺激下產(chǎn)生49%的驅(qū)動量，輸出功率可達(dá)27.1 W·g-1。若將CNT薄膜纏繞在纖維表面，利用CNT的導(dǎo)電性，可通過焦耳熱驅(qū)動纖維變形。

3.2 可編程的響應(yīng)變形

除了前述具有不對稱結(jié)構(gòu)的人工肌肉可受刺激產(chǎn)生彎曲驅(qū)動外，對結(jié)構(gòu)均一的材料施加不對稱刺激，也可實現(xiàn)彎曲驅(qū)動。通過合理設(shè)計材料結(jié)構(gòu)，制備具有更復(fù)雜響應(yīng)變形的人工肌肉才能滿足多場景下的先進應(yīng)用需求96。由于烯碳材料的可加工性，通過簡單的方法即可實現(xiàn)其在刺激響應(yīng)材料中的圖案化，從而利用其產(chǎn)生局部刺激，最終實現(xiàn)人工肌肉可編程的響應(yīng)形變。實際上，烯碳材料在人工肌肉中的這一類應(yīng)用，也是基于其電熱/光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)。

Mirvakili等97采用浸漬涂覆的方法在梁狀的尼龍表面覆蓋了含有石墨烯的光熱轉(zhuǎn)化功能涂料，并利用高功率的激光二極管實現(xiàn)對尼龍梁的光熱驅(qū)動。通過對梁的單一或者多個側(cè)面施加刺激，可實現(xiàn)人工肌肉的多方向驅(qū)動(圖9d-g)。Li等98從CNT豎直陣列中抽出氣凝膠薄膜，并經(jīng)過雙輥壓機獲得具有高度各向異性的巴基紙(Bucky paper，BP)。利用激光對CNT巴基紙進行圖案化加工，可得到具有特殊形狀且面內(nèi)CNT沿著特定方向嚴(yán)格排列的巴基紙(圖9h)。以其為柔性電極，與PDMS復(fù)合，制備雙層結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器。由于巴基紙在平行于CNT和垂直于CNT兩個面內(nèi)方向上的導(dǎo)電性存在巨大差異。經(jīng)過圖案化后巴基紙面內(nèi)可產(chǎn)生不同的電熱效應(yīng)，從而使PDMS層部分區(qū)域受熱發(fā)生形變。通過精巧的設(shè)計，該驅(qū)動器可產(chǎn)生大的彎曲形變(＞ 180°)，螺旋卷曲(～630°) (圖9i)，甚至實現(xiàn)模仿手指的仿生驅(qū)動。利用激光誘導(dǎo)生成石墨烯的方法實現(xiàn)圖案化99-101，或者合理設(shè)計雙層結(jié)構(gòu)驅(qū)動器中石墨烯層的位置102,103，都可對人工肌肉材料的形變進行編程設(shè)計。

3.3 傳感功能

對于柔性和人工智能機器人而言，裝配準(zhǔn)確的具有實施運動感知能力的肌肉材料，對其實現(xiàn)對環(huán)境的自主響應(yīng)具有重要意義。因此開發(fā)集驅(qū)動和傳感一體的人工肌肉是該領(lǐng)域的必然趨勢。人工肌肉的驅(qū)動過程總是伴隨著體積的變化，若該形變可改變其中烯碳材料構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通路，在恒壓電源下，由于烯碳材料電阻的變化，材料可輸出不同的電流信號。因此烯碳材料還可在人工肌肉中起到傳感的功能104-107。

Wang等106以聚多巴胺還原的氧化石墨烯(PDG)和PVDF制備了雙層膜結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器，并在PVDF另一側(cè)3D打印了基于石墨-CNT的U形電路。由PDG與PVDF層構(gòu)成的驅(qū)動器除了具有熱響應(yīng)功能外，還可通過PDG層的光熱轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)光響應(yīng)驅(qū)動。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，PVDF中由反式β相排列的聚合物鏈產(chǎn)生的永久偶極子的取向隨之變化，并在PVDF的厚度方向上產(chǎn)生熱電勢，因此PVDF層可起到自供電的溫度傳感功能。而U型的石墨-CNT電路，其內(nèi)阻隨PVDF形變發(fā)生變化，可作為應(yīng)變傳感器。集光、熱響應(yīng)和溫度、形變傳感為一體的薄膜狀驅(qū)動器，由于結(jié)構(gòu)柔性和可加工性的特征，通過引入可編程的折紙技術(shù)，可進一步設(shè)計制造出具有綜合感知和運動能力的薄膜機器人(圖9j)。除了傳感體系的應(yīng)變外，烯碳材料還可用作溫度傳感部件，例如復(fù)合了甲基纖維素的CNT膜具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)(-3807.7 ppm·K-1)，因此在雙層膜驅(qū)動器中還可用作溫度傳感層107。

4 總結(jié)與展望

烯碳材料在人工肌肉領(lǐng)域的應(yīng)用，概括而言均是從其獨特的理化特性出發(fā)，作為人工肌肉中的結(jié)構(gòu)、功能性材料的應(yīng)用。以烯碳材料為基本組成單元的人工肌肉，宏觀表現(xiàn)形態(tài)可為一維纖維和二維薄膜。由于形態(tài)上更接近生物肌肉中的肌原纖維，纖維狀人工肌肉在仿生驅(qū)動器中更具有優(yōu)勢。而基于烯碳材料的纖維狀人工肌肉，可通過組裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)高效的彎曲、旋轉(zhuǎn)和伸縮驅(qū)動。特別地，具有加捻和螺旋結(jié)構(gòu)烯碳纖維的制備，為推動仿生肌肉纖維的發(fā)展起到了重要作用?；谙┨疾牧系亩S薄膜狀人工肌肉，驅(qū)動形式以彎曲驅(qū)動為主。在這一類集響應(yīng)、驅(qū)動及結(jié)構(gòu)為一體的人工肌肉中，烯碳材料和整體不對稱結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、客體材料和異質(zhì)材料的種類選擇是其設(shè)計與制備中的關(guān)鍵問題。當(dāng)烯碳材料在納米復(fù)合人工肌肉材料中發(fā)揮功能性應(yīng)用時，烯碳材料可作為增強賦能相，通過優(yōu)化材料的力學(xué)、電學(xué)特性以提升人工肌肉的驅(qū)動性能、擴展響應(yīng)刺激種類、響應(yīng)形變形式以及賦予其傳感功能。

雖然烯碳材料在人工肌肉領(lǐng)域的應(yīng)用已獲得了長足的發(fā)展，并取得了諸多優(yōu)異的性能。但其中仍有一些亟待解決的問題：(1)烯碳材料的成本問題限制了相關(guān)人工肌肉材料的應(yīng)用，因此需開發(fā)高效、便捷的生產(chǎn)和組裝方法，以用于烯碳材料及其人工肌肉的制備。(2)能量轉(zhuǎn)換效率低是人工肌肉領(lǐng)域的一個痛點問題。目前，大多數(shù)的人工肌肉的能量轉(zhuǎn)換效率仍然較低，無法與傳統(tǒng)的電機或熱機的能量轉(zhuǎn)換效率相比。因此發(fā)展具有高能量轉(zhuǎn)換效率的人工肌肉是重要的研究方向。(3)人工肌肉的輸出力小也是限制其實際應(yīng)用的一個重要的因素。而輸出力的大小又受到人工肌肉的結(jié)構(gòu)以及模量等因素影響，發(fā)展大輸出力的人工肌肉是其邁向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。(4)人工肌肉的真正應(yīng)用，是多學(xué)科交叉研究后的成果。除了人工肌肉材料的制備外，人工肌肉在智能驅(qū)動系統(tǒng)中的裝配，以及相應(yīng)的驅(qū)動精確控制與反饋系統(tǒng)的設(shè)計，還需材料與機械工程、信息科學(xué)等領(lǐng)域知識的互相交叉融合。在實際的裝配與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，從而對材料設(shè)計提出新要求，以催生人工肌肉材料的新發(fā)展。

烯碳材料由于自身優(yōu)異的力學(xué)性能、高比表面積、柔性及可加工的特性，可構(gòu)筑成多維的組裝材料，而突出的電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能，又可賦予其組裝材料多功能特性。因此烯碳材料是結(jié)構(gòu)-功能一體化材料的優(yōu)秀構(gòu)筑基元。諸如柔性外骨骼、仿真機器人、變翼飛行器等未來先進智能驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，要求人工肌肉除了單一的致動功能外，還需要兼具輕質(zhì)、柔性等結(jié)構(gòu)特征，并且集傳感、信號傳輸、控制等功能于一體，這進一步激發(fā)了多功能驅(qū)動的需求。從烯碳材料的結(jié)構(gòu)與性能出發(fā)，探索全新的組裝方式，開發(fā)具有高效驅(qū)動性能的組裝結(jié)構(gòu)，匹配各異的驅(qū)動形式與復(fù)合材料以尋求最優(yōu)解，并結(jié)合烯碳材料的功能特性，有望設(shè)計具有結(jié)構(gòu)-功能-智能一體化的人工肌肉。