基于三維結(jié)構(gòu)MXene-PEDOTPSSAgNWs電極的超低壓驅(qū)動(dòng)人工肌肉.pdf

近日，東南大學(xué)劉磊教授課題組在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表了題為“Ultralow-Voltage-Drivable Artificial Muscles Based on a 3D StructureMXene-PEDOT:PSS/AgNWs Electrode”的文章。該文章設(shè)計(jì)了基于MXene的三維結(jié)構(gòu)電極，討論了基于該電極的離子致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)性能，介紹了離子致動(dòng)器作為人工肌肉的生物應(yīng)用。

研究速覽

制造具有大彎曲位移和高響應(yīng)靈敏度的離子致動(dòng)器的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)具有良好電化學(xué)特性和導(dǎo)電性的柔性電極。本研究報(bào)告了由一維AgNWs和二維MXene組裝形成具有三維網(wǎng)絡(luò)層狀結(jié)構(gòu)的MXene-PEDOT:PSS/AgNWs電極，并且設(shè)計(jì)了一種基于該電極的離子致動(dòng)器。結(jié)果表明，基于MXene-PEDOT:PSS/AgNWs電極的致動(dòng)器表現(xiàn)出大彎曲應(yīng)變（0.48%，0.5V正弦電壓）、寬頻率響應(yīng)（0.1Hz-10 Hz）、5小時(shí)耐久性（91.9%初始值保持）和快速響應(yīng)時(shí)間（≈5s）。這些優(yōu)異性能來(lái)源于MXene和AgNWs形成的三維結(jié)構(gòu)電極，從而創(chuàng)建了不受阻礙的離子通道，促進(jìn)了離子的短時(shí)間擴(kuò)散和快速注入，并提供了更高的電容和機(jī)械完整性。這種三維網(wǎng)絡(luò)層狀結(jié)構(gòu)的電極為超低壓驅(qū)動(dòng)人工肌肉的發(fā)展提供了思路。

研究要點(diǎn)

? 研究要點(diǎn)1：

將一維AgNWs組裝到二維MXene納米片中形成了具有高性能的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極，并將其集成到致動(dòng)器中與電解質(zhì)膜有著很好的結(jié)合。AgNWs作為電極層中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的框架，擴(kuò)大了MXene納米片的層間距離，為離子的進(jìn)入提供了更大的空間。同時(shí)增加了電極的有效可及面積，進(jìn)而改善了電化學(xué)性能和導(dǎo)電性。

? 研究要點(diǎn)2：

本文詳細(xì)討論了離子致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，在超低輸入電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在外加電場(chǎng)下，電解質(zhì)膜中的陽(yáng)離子和陰離子分別遷移到電極的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)。由于陽(yáng)離子尺寸比陰離子大，導(dǎo)致電極側(cè)陽(yáng)離子和陰離子的積累引起了相對(duì)體積的差異，所以致動(dòng)器會(huì)向陽(yáng)極側(cè)彎曲變形。該離子致動(dòng)器制備的抓手機(jī)器人可以抓取、提升、運(yùn)輸和釋放一個(gè)自身數(shù)倍重量的物體；制備的仿生蝴蝶可以模擬蝴蝶的翅膀扇動(dòng)，表明了致動(dòng)器的軟體機(jī)器人能力，具有很好的生物應(yīng)用。

圖1 MXene-PEDOT:PSS/AgNWs復(fù)合材料的合成以及離子致動(dòng)器的制備示意圖

圖2 （a）離子致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；在（b）正弦電壓（c）方波電壓（d）直流電壓輸入條件下的彎曲位移。

圖3 離子致動(dòng)器在（a）抓手機(jī)器人和（b）仿生蝴蝶上的應(yīng)用

研究總結(jié)

基于MXene-PEDOT:PSS/AgNWs電極設(shè)計(jì)的離子致動(dòng)器，用于開(kāi)發(fā)一種在超低電壓下的高性能人工肌肉。該電極通過(guò)構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較大的離子可及表面積、較高的電荷存儲(chǔ)能力以及較快的離子遷移速率。設(shè)計(jì)的抓手機(jī)器人和仿生蝴蝶的應(yīng)用體現(xiàn)了其在仿生設(shè)備方面的巨大潛力。這項(xiàng)研究開(kāi)辟了一種使用MXene設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)電極的方法，該電極將在軟體機(jī)器人和人工肌肉中顯示出色的性能。

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