由来自Beihang University的Chao Wang、De Gong、Deyuan Zhang和Jun Cai共同完成的研究论文《A sense-drive-feedback integrated soft tactile actuator for bionic flytrap with high sensitivity, large deformation, and low-power consumption》发表于Chemical Engineering Journal期刊第494卷（2024年）。该研究属于软体机器人、柔性电子和人机交互交叉领域的一项原创性工作。
学术背景与动机： 近年来，软体执行器因其在软体机器人、人工肌肉和人机交互界面等领域的巨大应用潜力而备受关注。理想的智能软体执行器不仅需要能对外部刺激产生有效的驱动形变，更应具备感知环境并提供实时交互反馈的能力，从而实现类似生物体的智能集成功能。然而，现有的软体执行器大多只侧重于驱动或传感的单一功能，将传感与驱动功能进行深度智能集成仍面临巨大挑战。为此，研究团队从自然界中汲取灵感，特别关注了捕蝇草这类能根据被捕猎物的大小智能决定是否闭合叶片以捕食的生物系统。捕蝇草的这种“感知-驱动-反馈”一体化调控机制为设计新型智能软体执行器提供了绝佳的仿生蓝图。本研究的核心目标便是开发一种能够响应压力刺激、集传感、驱动和反馈功能于一体的新型软体智能执行器，旨在实现高灵敏度、大变形和低功耗的综合性能，为软体机器人迈向真正的智能化提供关键范式。
详细工作流程： 本研究主要包括执行器的设计、制备、性能表征以及应用演示四个紧密关联的步骤。
1. 仿生设计与材料选择： 研究团队受捕蝇草捕食行为的启发，提出了“感知-驱动-反馈”一体化集成的软体触觉执行器概念。该执行器由两个核心功能单元构成：一个负责将压力信号转换为电信号的柔性压力传感单元，以及一个既能通过电热效应产生形变驱动、又能感知自身形变状态的电热驱动/反馈单元。两个单元均基于团队自主制备的MXene/CNT复合纸构建。选择MXene（碳化钛二维材料）和碳纳米管（CNT）是因为它们均具有高导电性、大比表面积和优异的机械柔性，是构建高性能柔性电子器件的理想材料。驱动形变层采用MXene/CNT纸与双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜复合的U型双层结构，利用两种材料不同的热膨胀系数和吸湿膨胀系数差异，在焦耳热作用下产生不对称形变。
2. 材料制备与器件加工： 首先，通过选择性蚀刻MAX相（Ti3AlC2）和超声剥离的方法制备了层状MXene纳米片分散液。其次，采用喷涂工艺，依次将MXene分散液和CNT（与聚乙烯吡咯烷酮PVP混合）悬浮液均匀喷涂到普通纸上，形成导电层，最后再喷涂一层MXene进行封装，得到高导电的MXene/CNT复合纸。将复合纸的背面粘贴在BOPP薄膜上，并用切割刀制成特定尺寸（如35 mm × 10 mm）的U型结构，即得到驱动/反馈单元。 对于压力传感单元，研究团队采用了微结构化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体与MXene/CNT纸结合的方式。具体流程是：利用3D打印技术制作具有倒置微方台阵列的树脂模板，通过磁控溅射在其表面镀铝膜作为牺牲层。随后将PDMS预聚物旋涂在模板上并固化，利用盐酸蚀刻掉铝层，剥离得到具有微方台结构的PDMS薄膜。最后，将MXene/CNT纸与微结构PDMS薄膜以“三明治”结构组装，得到柔性压力传感器。
3. 性能表征与测试方法： 驱动性能测试：使用源表（Keithley 2602B）为U型执行器施加不同电压，通过红外热像仪记录其表面温度变化，并通过光学图像分析计算其弯曲曲率。系统测试了电压-弯曲曲率关系、电压-温度关系、响应/恢复时间、循环稳定性以及在不同湿度、尺寸、厚度下的驱动性能。 传感性能测试：对于驱动/反馈单元自身的应变传感能力，通过将其弯曲至不同曲率并测量电阻变化来评估其应变因子（Gauge Factor, GF）。对于独立的压力传感单元，使用由伺服控制器、步进电机和滚珠丝杠等组成的定制化柔性传感测试平台施加可控压力，同时用源表记录传感器的电流响应，从而计算其灵敏度、线性范围、响应时间和循环稳定性。 结构表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察了MXene纳米片、MXene/CNT复合纸表面及横截面的形貌结构。
4. 应用演示： 基于制备的单元，研究团队构建了三种应用演示系统。一是便携式软体夹持器，通过手指按压压力传感单元来控制驱动单元的弯曲，实现对物体的抓取、移动和放置。二是仿捕蝇草软体花瓣执行器，模拟捕蝇草的捕食行为，当物体放置在压力传感单元上时，驱动单元闭合以“抓住”物体；同时，该装置能通过驱动单元的传感功能区分相同重量不同体积的物体。三是人机交互演示，将压力传感器与手指集成，通过弯曲手指施加不同压力，远程控制执行器产生不同程度的形变，实现了直观的人机控制界面。
主要结果： 1. 驱动性能卓越： 基于MXene/CNT纸的高导电性，执行器驱动单元能在低至4V的电压下工作，实现了低功耗驱动。在14V电压下，弯曲曲率可达1.2 cm-1，表现出大变形能力。其响应时间和恢复时间分别为16.5秒和7秒。通过优化器件尺寸（35mm长度）和厚度（约200μm），获得了最佳驱动性能。循环测试显示，执行器在1200次循环后仍保持良好稳定性，证明了其耐用性。研究还发现，执行器的驱动方向可以通过控制复合纸中纤维的切割方向进行编程设计，这增加了其应用灵活性。
2. 传感性能优异： * 驱动/反馈单元的应变传感： U型驱动臂本身具有良好的应变传感能力。在0%-0.5%的应变范围内，其灵敏度（GF）高达32.6，且响应线性度好（R²=0.99）。无论是向内压缩还是向外拉伸弯曲，都能产生稳定、可区分的电阻信号。该功能使其能够实时反馈自身的形变状态，并成功用于监测人体手指关节的弯曲角度。 * 独立压力传感单元： 结合微方台结构PDMS和MXene/CNT纸的压力传感器表现出超高灵敏度（3.22 kPa⁻¹）和宽线性测量范围（0-40 kPa）。其在10,000次压力循环测试后信号仍保持稳定，证明了内部结构的鲁棒性。该传感器甚至可以检测到绿豆（约5 Pa）产生的微小压力，显示了极高的灵敏度。
3. “感知-驱动-反馈”一体化功能验证： 研究成功地将压力传感单元与电热驱动单元集成在单一电路中，实现了闭环的智能响应。当压力传感器受到外部按压时，其电阻下降，导致整个电路电流增大，从而驱动执行器产生形变。形变程度与所施加的压力大小成正比，实现了“压力输入-形变输出”的直接映射。更重要的是，当驱动单元（作为夹持器）接触到物体时，其自身的应变传感功能可以实时反馈所抓握物体的体积信息（通过形变曲率反映），而压力传感单元则可以反馈物体的重量信息。这种同时获取物体重量和体积信息的能力，是模仿捕蝇草判断猎物价值的关键，也是本系统智能集成特性的核心体现。应用演示成功地展示了从手动操作控制抓取，到仿生自主感知-抓取，再到人机交互控制的全链条功能。
结论与价值： 本研究成功开发并验证了一种受捕蝇草启发的、集传感、驱动和反馈功能于一体的新型软体触觉执行器。该工作不仅提供了一种基于MXene/CNT复合纸的高性能、低功耗电热驱动和超高灵敏度压力传感的制备方法，更重要的是，它通过巧妙的电路和结构设计，实现了两种功能在器件层面的深度智能集成，使执行器能够像生物体一样，对外部压力刺激作出响应、执行动作并感知交互结果。这项研究的科学价值在于为构建智能软体执行器提供了一个重要的范式，展示了通过材料创新和仿生设计实现复杂功能集成的可行路径。其应用价值广泛，可直接推动下一代软体机器人、自适应人工肌肉以及更自然、更智能的人机交互界面的发展。
研究亮点： 1. 高度仿生的功能集成： 首次将捕蝇草的“感知-判断-动作-反馈”智能循环引入软体执行器设计，实现了真正意义上的“感知-驱动-反馈”一体化，超越了传统的单一功能或简单拼接的器件。 2. 材料与结构创新： 采用喷涂法制备MXene/CNT复合纸，并将其与BOPP薄膜结合，创造了一种兼具高导电性、良好机械性能和显著热/湿致变形能力的驱动材料体系。同时，利用微方台结构PDMS提升了压力传感器的灵敏度和稳定性。 3. 双重传感与反馈： 系统具备独特的双重传感能力：独立的压力传感单元用于检测外部刺激（如重量），而驱动单元自身兼具应变传感功能，用于反馈执行器的形变状态和与物体的交互信息（如体积）。这种多维信息感知是实现智能决策的基础。 4. 低功耗与大变形兼备： 基于MXene/CNT的优异导电性，执行器在低工作电压（4V）下即可产生显著的驱动形变，这对依赖电池的便携式软体机器人应用至关重要。 5. 可编程与可扩展性： 执行器的驱动方向可通过结构设计进行编程，且整个制备工艺相对简单，为不同应用场景下的定制化设计和大规模制造提供了可能。
其他有价值内容： 研究中对环境湿度影响驱动性能的探索（最佳制备湿度30%，测试湿度60%）为实际环境应用提供了重要参数依据。此外，将执行器与人体手指集成进行实时控制的人机交互演示，生动地展现了该技术在可穿戴设备、远程操控和虚拟现实等领域的直接应用前景，增强了研究成果的直观说服力。