图1 多功能碳纳米管-聚合物复合材料及其应用。
柔性驱动器可以集成许多功能电子设备以构建智能电子系统。多功能驱动器中电子系统的能量供应和无线信号传输是具有挑战性的研究领域。在本文中，以功能化和分层设计的思想来构建多功能的集成化驱动器。受蜘蛛网结构的启发，提出了具有3D网络结构的多功能碳纳米管-聚合物复合材料，并将其应用于多刺激响应型驱动器、超级电容器和电磁干扰屏蔽设备（图1）。相关结果以研究论文 “Multi-functional and integrated actuators made with bio-inspired cobweb carbon nanotube-Polymer composites”的形式发表于国际高水平期刊Chemical Engineering Journal。福建工程学院翁明岑副教授、硕士研究生丁敏、周培迪博士为共同第一作者。福建工程学院翁明岑副教授与福建师范大学陈鲁倬教授为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金、福建省自然科学基金等多方资助。
图2 基于仿生蜘蛛网PANI@CNT-BC薄膜的双层驱动器的多刺激响应驱动特性。（a）PANI@CNT-BC/PET/PEDOT: PSS双层驱动器的驱动机制。（b）PANI@CNT-BC/PET/PEDOT:PSS 双层薄膜的光学照片。（c）PANI@CNT-BC/PET/PEDOT:PSS双层膜的横截面SEM图像。（d-f）驱动器在不同RH、光功率密度和驱动电压下的光学照片。
首先，通过将仿生蜘蛛网结构的聚苯胺包覆碳纳米管-纤维素（PANI@CNT-BC）薄膜附着到疏水的导电聚合物薄膜上，可以构建由光、电和湿度驱动的多刺激响应型驱动器（图2）。驱动机制是仿生蜘蛛网PANI@CNT-BC薄膜的吸湿膨胀效应，以及PANI@CNT-BC薄膜与导电聚合物薄膜之间的不对称热膨胀效应。
图3 基于仿生蜘蛛网PANI@CNT-BC薄膜的电磁干扰屏蔽特性和储能特性。（a）CNT-BC薄膜、PANI@CNT-BC薄膜和双层驱动器的电磁干扰屏蔽效能。（b）双层驱动器的电磁干扰屏蔽机制。（c）4 × 4超级电容器阵列的示意图。插图为是该超级电容器阵列的光学图像。（d）4 × 4超级电容器阵列点亮数个LED阵列的光学照片。
其次，具有3D多孔结构的仿生蜘蛛网PANI@CNT-BC薄膜可以提供多个电磁波反射网络（图3a-b）。因此，仿生蜘蛛网PANI@CNT-BC薄膜具有出色的电磁干扰屏蔽能力（SSE/t高达11,087 dB cm2 g-1）。此外，仿生蜘蛛网PANI@CNT-BC薄膜的表面含有大量PANI纳米颗粒使其能应用于全固态柔性储能器件（图3c-d）。
图4（a）近红外光控制的智能屏蔽幕工作机理示意图。（b）光学照片和红外热图像显示双层驱动器作为智能屏蔽幕的打开和关闭运动。
最后，作者设计了两个多功能的集成化驱动器，以展示实际应用：一、集成了电磁干扰屏蔽功能的光驱动器，可以作为智能屏蔽幕使用（图4）。二、集成储能功能的电驱动器，其驱动和储能功能可以同时/独立使用，互不干扰（图5）。多功能驱动器的功能化分层设计将为软体机器人、无线信号传输开关和可变形超级电容器的发展开辟新途径。
图5 3D模拟图（a）和光学照片（b）同时展示了使用多功能驱动器制作的智能窗帘在太阳光的辅助下打开、充电、以及驱动定时器的过程。
综上所述，作者提供了从材料层面（PANI@CNT-BC复合材料）到器件层面（驱动器、超级电容器、电磁干扰屏蔽器件），再到系统层面（多功能驱动器）的全面研究。通过构建多功能集成驱动器，阐述了功能化分层设计的思想。柔性功能器件的协同发展将为实现系统级集成提供巨大的推动力，为实现智能、交互的柔性机器人系统提供动力。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139146