圖1多功能碳納米管-聚合物複合材料及其應用。
柔性驅動器可以集成許多功能電子設備以構建智能電子系統。多功能驅動器中電子系統的能量供應和無線信號傳輸是具有挑戰性的研究領域。在本文中，以功能化和分層設計的思想來構建多功能的集成化驅動器。受蜘蛛網結構的啟發，提出了具有3D網絡結構的多功能碳納米管-聚合物複合材料，並將其應用於多刺激響應型驅動器、超級電容器和電磁干擾屏蔽設備（圖1）。相關結果以研究論文「Multi-functional and integrated actuators made with bio-inspired cobweb carbon nanotube-Polymer composites」的形式發表於國際高水平期刊Chemical Engineering Journal。福建工程學院翁明岑副教授、碩士研究生丁敏、周培迪博士為共同第一作者。福建工程學院翁明岑副教授與福建師範大學陳魯倬教授為共同通訊作者。該研究受到國家自然科學基金、福建省自然科學基金等多方資助。
圖2基於仿生蜘蛛網PANI@CNT-BC薄膜的雙層驅動器的多刺激響應驅動特性。（a）PANI@CNT-BC/PET/PEDOT: PSS雙層驅動器的驅動機制。（b）PANI@CNT-BC/PET/PEDOT:PSS雙層薄膜的光學照片。（c）PANI@CNT-BC/PET/PEDOT:PSS雙層膜的橫截面SEM圖像。（d-f）驅動器在不同RH、光功率密度和驅動電壓下的光學照片。
首先，通過將仿生蜘蛛網結構的聚苯胺包覆碳納米管-纖維素（PANI@CNT-BC）薄膜附着到疏水的導電聚合物薄膜上，可以構建由光、電和濕度驅動的多刺激響應型驅動器（圖2）。驅動機制是仿生蜘蛛網PANI@CNT-BC薄膜的吸濕膨脹效應，以及PANI@CNT-BC薄膜與導電聚合物薄膜之間的不對稱熱膨脹效應。
圖3 基於仿生蜘蛛網PANI@CNT-BC薄膜的電磁干擾屏蔽特性和儲能特性。（a）CNT-BC薄膜、PANI@CNT-BC薄膜和雙層驅動器的電磁干擾屏蔽效能。（b）雙層驅動器的電磁干擾屏蔽機制。（c）4 × 4超級電容器陣列的示意圖。插圖為是該超級電容器陣列的光學圖像。（d）4 × 4超級電容器陣列點亮數個LED陣列的光學照片。
其次，具有3D多孔結構的仿生蜘蛛網PANI@CNT-BC薄膜可以提供多個電磁波反射網絡（圖3a-b）。因此，仿生蜘蛛網PANI@CNT-BC薄膜具有出色的電磁干擾屏蔽能力（SSE/t高達11,087 dB cm2g-1）。此外，仿生蜘蛛網PANI@CNT-BC薄膜的表面含有大量PANI納米顆粒使其能應用於全固態柔性儲能器件（圖3c-d）。
圖4（a）近紅外光控制的智能屏蔽幕工作機理示意圖。（b）光學照片和紅外熱圖像顯示雙層驅動器作為智能屏蔽幕的打開和關閉運動。
最後，作者設計了兩個多功能的集成化驅動器，以展示實際應用：一、集成了電磁干擾屏蔽功能的光驅動器，可以作為智能屏蔽幕使用（圖4）。二、集成儲能功能的電驅動器，其驅動和儲能功能可以同時/獨立使用，互不干擾（圖5）。多功能驅動器的功能化分層設計將為軟體機器人、無線信號傳輸開關和可變形超級電容器的發展開闢新途徑。
圖5 3D模擬圖（a）和光學照片（b）同時展示了使用多功能驅動器製作的智能窗簾在太陽光的輔助下打開、充電、以及驅動定時器的過程。
綜上所述，作者提供了從材料層面（PANI@CNT-BC複合材料）到器件層面（驅動器、超級電容器、電磁干擾屏蔽器件），再到系統層面（多功能驅動器）的全面研究。通過構建多功能集成驅動器，闡述了功能化分層設計的思想。柔性功能器件的協同發展將為實現系統級集成提供巨大的推動力，為實現智能、交互的柔性機器人系統提供動力。論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139146
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