2022年5月6日，四川大学高分子科学与工程学院、高分子材料工程国家重点实验室的Bao, Rui-ying和Yang, Wei*等研究者在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊（卷14，页22521-22530）上发表了一项题为“基于相变材料实现刚度可调可逆形状记忆聚合物的自感知驱动器”的研究。本研究针对软体机器人领域的一个关键挑战——如何将高负载能力、可逆驱动（致动）与自我感知能力集成于单一软材料中，提出了一种创新的解决方案。

学术背景 本研究属于智能高分子材料与软体机器人交叉领域。软体机器人因其在抓取、运动和对环境适应方面的优势，在康复、探测和精细操作等领域具有巨大潜力。实现这些功能需要材料兼具驱动、感知和承载能力。刺激响应材料，特别是可逆形状记忆聚合物，因其能在热等刺激下产生可逆形变而成为构建软体机器人的理想材料。然而，传统的RSMP通常机械强度较低，无法满足高负载需求。另一方面，为提高机械性能或赋予导电/光热性能而掺入刚性导电填料（如碳纳米管）的方法，往往会阻碍高分子链运动，削弱材料的可逆形变能力。因此，开发一种能同时平衡高强度、大应变可逆驱动和感知功能的材料，是领域内的一个重要挑战。受自然界生物体通过刚度转换来兼顾形态变化与结构强度的启发，本研究引入相变材料这一策略来动态调节聚合物基体的刚度，旨在为解决上述矛盾提供新思路。

详细研究流程 本研究的工作流程系统且严谨，主要包含材料设计与制备、性能表征、驱动器构建与功能演示三大阶段，涉及多个具体步骤和实验方法。

• 第一步：材料设计与制备 研究选择了具有可逆形状记忆效应的聚烯烃弹性体（POE）作为基体，将典型的有机相变材料石蜡（PW）作为可调节刚度的关键组分引入。此外，为了赋予材料感知能力和光热响应特性，引入了碳纳米管（CNT）。具体制备方法为熔融共混和热压成型。POE与PW在150°C、60 rpm的密炼机中熔融共混，随后在120°C、2.5 MPa压力下热压成片材。制备的材料体系命名为Wx（x为PW的体积分数）、Cy（y为CNT的体积分数）和WxCy（同时含有PW和CNT）。为构建稳定且不影响本体驱动性能的感知层，研究团队开发了一种新颖的表面处理工艺：将CNT的乙醇分散液喷涂在POE/PW共混物表面，随后在材料处于软态（100°C）时进行热压，使CNT嵌入并牢固结合在材料表层，形成厚度约0.6微米的导电层。

• 第二步：结构与性能表征 此阶段对制备的材料进行了多层次、全方位的表征，以理解其结构与性能之间的关系。

  1. 热性能分析：采用差示扫描量热法（DSC）研究材料的结晶与熔融行为，测定PW的相变温度、POE的熔点变化以及整体结晶度。
  2. 流变性能测试：在120°C下进行动态频率扫描，测量材料的储能模量（G’），用以评估在软态（熔融状态）下高分子链的流动性，揭示PW和CNT对链运动的不同影响。
  3. 力学性能测试：
     • 准静态力学：在室温下进行拉伸试验，获取材料的拉伸模量和强度，评估其在刚性状态下的承载能力。
     • 动态热机械分析（DMA）：测量材料储能模量随温度（0-80°C）的变化，量化其刚度随温度的可调范围，这是证明“刚度可变”特性的关键实验。
  4. 微观形貌观察：使用扫描电子显微镜（SEM）观察POE/PW共混物的相形态、CNT在基体中的分散情况，以及表面喷涂CNT层在拉伸前后的形貌变化，直观证实CNT网络与基体的牢固结合及其随应变的变化。
  5. 功能性能测试：
     • 光热转换性能：使用UV-Vis-NIR光谱仪测量材料的光吸收性能，并在红外灯照射下用红外热像仪记录材料表面温度随时间的变化，评估CNT的光热转换效率。
     • 电学性能：使用数字万用表测量材料的电阻，评估其导电性及电阻随应变（弯曲角度）和温度的变化。

• 第三步：驱动器性能评估与功能演示 基于上述材料，研究构建了多种概念验证型软体机器人原型，并详细测试其性能。

  1. 可逆驱动性能：将材料编程制成夹持器（Clip），在不同编程温度（Tprog）和驱动温度（Tact）下循环加热冷却，通过摄像记录夹持器开合角度，定量分析PW和CNT含量对可逆形变角度的影响。
  2. 光驱动抓取器：利用CNT的光热效应，构建红外光驱动的夹持器。演示其在红外光照射下抓取重物的能力，并计算其负重比（抓取重量与自身重量之比），与不含PW的对照组进行比较。
  3. 自感知行走机器人：将表面带有CNT导电层的条状材料制成双足行走机器人。在热驱动其步进运动的同时，实时监测其关节弯曲导致的电阻变化。建立电阻变化（δR/R）与步幅长度之间的关联，演示通过电信号反馈感知并控制运动状态的能力。
  4. 高温预警机器人：利用高PW含量样品（W50）的显著刚度变化，设计了一种温度敏感开关。在W50表面通过模板热压制造微结构并喷涂CNT，将两片这样的样品对贴。随着温度升高，材料软化，微结构塌陷导致两片样品接触面积增大、电阻急剧下降，从而触发报警电路。演示了其在环境温度过高（如火灾预警）时的应用潜力。

主要研究结果 研究的每一步都获得了支撑其科学假设和设计理念的关键数据，结果之间逻辑连贯，层层递进。

• PW与CNT对POE性能的差异化影响：DSC和流变结果表明，PW的加入提高了POE/PW共混物的整体结晶度，且在熔融后（软态）作为液体起到“润滑”作用，显著提高了POE分子链的流动性，降低了软态下的储能模量。相反，CNT的加入限制了POE链的运动，降低了结晶度，提高了软态模量。力学测试（拉伸和DMA）则证实，在室温（刚性态），PW能大幅提升材料的拉伸模量和储能模量（如W10提升105%），而CNT的提升效果相对有限。更重要的是，DMA数据显示POE/PW共混物的模量随温度变化范围远大于POE/CNT复合材料，实现了从刚性（高负载）到柔软（易变形）的宽幅可调刚度。

• 对可逆驱动应变的影响：可逆角度测试结果清晰地展示了矛盾平衡的过程。大量掺入CNT（2%）会严重降低可逆形变角度（下降45.2%），而引入PW（如W10）在显著提高刚度的同时，几乎保持了与纯POE相同的可逆角度（99.7%）。当同时引入少量CNT（0.1%）和PW时（W10C0.1），得益于PW对链流动性的促进作用，其可逆角度下降率（5.9%）低于仅含CNT的样品（10.2%），成功在保持高驱动性能的同时，赋予了材料光热响应特性。

• 表面CNT层实现稳定感知：SEM图像显示，经热压处理后，CNT被嵌入POE/PW基体表层，结合牢固。在30%的拉伸应变下，导电层出现细小裂纹（导致电阻变化），应变恢复后裂纹闭合，电阻也恢复，展现了稳定、可重复的应变传感能力。这避免了将CNT大量混入基体对驱动性能的损害。

• 多功能软体机器人演示成功：

  1. 基于W10C0.1的光驱动夹持器，成功抓取了自重146倍的重物，而仅含CNT的夹持器无法抓取相同重物，直接证明了可变刚度设计对提升负载能力的关键作用。
  2. 自感知行走机器人实验中，电阻变化与关节弯曲角度（即步幅）呈现稳定的对应关系（如δR/R = -2.0%对应5mm步幅），实现了运动状态的实时监控。
  3. 高温预警机器人则在温度升至63°C左右时，由于W50软化、微结构塌陷，电阻从10^4欧姆量级骤降至10^2欧姆量级，成功点亮报警灯，演示了基于刚度突变的温度感知与预警功能。

研究结论与意义 本研究成功制备了一种基于PW实现刚度可调的可逆形状记忆聚合物复合材料。其核心结论是：通过引入相变材料PW，可以在大幅提升材料刚性态负载能力的同时，基本保持其优异的可逆驱动应变，从而有效平衡了驱动器的“力量”与“形变”矛盾。进一步，通过创新的表面喷涂-热压工艺将CNT限制在薄层内，为驱动器赋予了稳定、不干扰本体驱动的应变和温度感知能力。基于此材料展示的高负重比夹持器、自感知行走机器人和高温预警机器人，验证了这种将可变刚度与电学特性相结合的策略，为集成驱动性能与自感知能力的多功能软体机器人提供了一条通用且有效的设计路径。

研究亮点 1. 创新性的材料设计策略：将相变材料（PW）用于调节可逆形状记忆聚合物的刚度，巧妙地借鉴了生物体的刚度转换机制，从根本上解决了软驱动器负载能力与形变能力之间的矛盾。 2. “感知与驱动解耦”的工艺创新：开发了表面喷涂-软态热压工艺，将导电CNT网络牢固限制在材料表层。这种方法在赋予材料高灵敏度应变/温度感知能力的同时，最大程度地降低了对本体驱动性能的负面影响，实现了“感知”与“驱动”功能在空间上的优化集成。 3. 多学科交叉的功能验证：研究不仅停留在材料合成与表征层面，更深入地进行了器件设计与系统集成，成功演示了从基础驱动（夹持）、到动态运动感知（行走）、再到环境感知预警（高温）等一系列仿生机器人应用，完整展现了该材料平台的多功能性和应用潜力。 4. 详实的机理阐释与性能对比：研究通过系统的DSC、DMA、流变、力学测试，详细对比了PW和CNT两种填料对POE结晶行为、链运动、模量和可逆应变影响的微观机理，为材料设计提供了清晰的理论指导和数据支持。

其他有价值的内容 文中还提及，PW含量过高（>10%）时会发生相分离，且液态PW可能导致能量耗散，从而降低可逆应变，这指出了该材料体系当前的一个局限，也为后续研究（如改善PW与基体相容性、优化PW形态）指明了方向。此外，研究通过视频补充材料直观展示了各类机器人的工作过程，增强了结果的可信度和表现力。