合工大胡颖/南工大暴宁钟《Angew》：基于黑磷的光驱动自振荡驱动器

智能软机器人在外部刺激下可实现自主连续的运动，并在环境、工业、军事和日常生活领域中展现出的巨大应用潜力。因此，受到了研究人员越来越多的关注。然而，目前许多软体机器人仍需要通过人工控制刺激的开/关切换来实现连续运动，与自然生物系统相比缺乏自主性和智能性。自振荡作为生物有机体的一个重要特性（如心肌的无意识跳动、细胞循环和神经元冲动等），为制造自主连续运动的软体机器人提供了极大的启示。自振荡运动的独特特性，加上机器人结构的设计，可能为构建具有自主运动的软机器人提供一种有前途的方法。软驱动器是软体机器人的重要组成部分之一，它可将外界的能量刺激转化为机械能输出，在仿生软体机器人、智能穿戴电子、生物医学设备等领域具有广泛的应用前景。在各种类型的驱动器中，光驱动器具有远程驱动、无接触、控制简洁、光能来源丰富等独特的特点，适合作为无绳软体机器人的驱动单元。为了制造高性能光致动器，开发新的光响应材料至关重要。近年来，具有独特结构和优异光学性能的二维（2D）纳米材料如石墨烯、MXene和MoS2已被用于制备具有出色驱动性能的光致动器。黑磷（BP）是一类新型的二维纳米材料，具有独特的层状结构和优异的性能，在储能、催化、传感和生物医学等领域有巨大的应用潜力。特别是BP已显示出各向异性的机械性能和出色的机电性能，在广泛的波长范围内具有出色的光热转换能力和热膨胀特性，是制造软驱动器最有潜力的候选者之一。然而，BP纳米薄片的重新堆叠和较差的稳定性严重限制了其在光致动器领域的发展。因此，基于BP的光驱动器和软体机器人自主运动的研究仍然极度缺乏。

鉴于此，合肥工业大学胡颖研究员和南京工业大学暴宁钟教授共同设计了一种基于共价桥接黑磷（BP）-碳纳米管（CNT）异质结构的无束缚软光驱动器，在恒定光照射下具有自振荡和趋光运动。基于致动器卓越的致动性能、可定制性和易于组装的特点，设计了具有自振荡的英寸虫状软机器人和仿生软机器人（在光线照射下侧身移动并变色的人造螃蟹、拍动翅膀运动的人造蝴蝶、操纵物体的人造爪）。这些演示不仅揭示了BP纳米薄片在软驱动器和相关仿生机器人中的应用潜力，而且为不受束缚的自主软机器人和智能设备的发展提供了新的途径。

文章亮点：

1、在BP-CNT异质结构中，碳纳米管通过P-C键在BP层框架中共价互连，促进了层状特性，增强了机械稳定性并减轻了BP纳米薄片的重新堆叠。化学钝化功能化还可保持BP-CNT在空气条件下的稳定性。

2、新型光响应驱动器具有可编程和可设计的变形输出（S形和五角形变形）。由于BP异质结构的良好光热效应和热膨胀、聚合物的热膨胀和纸的吸湿膨胀，新型驱动器表现出优异的可逆光驱动，大弯曲变形（曲率1.9cm-1）和快速响应（3s）的特性。

3、基于驱动器优异特性制备的自振荡英寸虫状软机器人在恒定光照射下可自主光趋向运动（光照射约128s后自动向光源爬行约8mm），人造螃蟹可侧身移动并变色（光照射105s内产生73mm距离的横向运动，身体颜色从红色变为绿色），人造蝴蝶可拍动翅膀和人造爪可操纵物体。这项研究揭示了具有异质结构的BP光驱动器在智能软机器人仿生设备中的巨大应用潜力。

图1基于BP的光致动器及光驱动可逆变形的设计原理图、光学图像、形貌图和XPS图谱

图2自振荡软驱动器的自主趋光运动

图3人造蟹和蝴蝶机器人的设计及其在光照下的仿生运动