具有自主形变响应功能的石墨烯智能"机器爪"

Smart actuators have attracted much attention because of their intelligent response to external stimulus in applications of artificial muscles and biomimetic devices. However, single deformation capacity of these materials has restricted their further development on multifunctional devices. Graphene has one layer of carbon atoms with a unique two-dimensional plane. The easily-regulated chemical and physical properties of graphene make it an outstanding candidate for fabricating multifunctional actuation systems. In this proposed project, a graphene based “mechanical claw” with autonomous deformation will be explored that can perceive the pressure variation induced by objects, collecting the signals and reflecting with materials deformation. This research will provide new insight into the fabrication of graphene-based materials for actuators with novel autonomous ability.

智能驱动材料能够在外界刺激下发生可逆形变运动，在人工肌肉、智能仿生领域具有广泛的应用前景。但是目前开发的可形变材料功能比较单一，使其进一步应用受到了很大限制。石墨烯是一种二维准高分子材料，其化学物理性质易于调控，可以实现与其他功能器件的集成，为新型多功能驱动器的构建提供了机遇。本项目将开发具有自主形变响应的石墨烯智能材料，实现石墨烯驱动器的感知-反馈-形变响应功能。首先将制备具有电致形变功能的石墨烯材料；进一步通过对石墨烯材料的微结构改性，实现微型压力传感器的内置集成；从而使其能够感知到外界压力的变化，反馈电刺激并触发材料形变，构建具有自主形变响应功能的石墨烯智能“机器爪”。该项目的确立与完成有望在石墨烯形变材料制备，微结构改性这一基础领域获得新知识，发现新原理和建立新体系；在自主形变响应功能驱动器的开发与应用方面建立新的技术，研制出高性能的石墨烯智能驱动器。

本项目目标为开发新型的石墨烯基智能仿生材料和器件，项目按照研究计划顺利进行，已按要求完成项目内容。主要开发了智能氧化石墨烯/PVDF复合双层薄膜体系，实现了光、热、水汽等刺激作用下石墨烯材料的机械形变，构建了具有刺激响应功能抓取/释放的“机器爪”，发展了新型的双模态仿生形变功能，设计了全新的双模态类瞳孔仿生薄膜器件；通过石墨烯官能团的有效调控，开发了新型能够利用水汽刺激产电的氧化石墨烯膜，实现了环境自感应功能。此外还制备了百纳米厚石墨烯薄膜，并通过化学官能团和层间距调控，实现了对太阳光刺激的选择性吸收；通过与聚丙烯酸钠材料复合，获得了多孔三维石墨烯的聚丙烯酸钠（PAAS）复合气凝胶（PGF）,能够在空气中高效吸收水分，并在光照下释放，实现了新型空气取水的应用等。项目相关研究成果在国内外高水平学术刊物发表高质量学术论文（SCI）8篇，包括Advanced Materials, Nanoscale Horizons，Advanced Science，Energy Storage Mater，Nano Energy等。其中影响因子大于15的5篇，ESI高被引论文1篇，封面文章两篇，申请专利3项，授权2项，受邀参加国际国内会议3次。同时，在项目支持下，项目负责人程虎虎获得了国家优秀青年科学基金人才项目支持（2021-2023年），两名博士研究生获得博士学位（2020年）。项目研究成果受到中央人民政府网站网站、新华社、New Scientists等权威专业媒体的广泛报道。项目研究成果为新型智能仿生材料和器件的研究与开发开辟了新的思路。