近日，我校與中國科學院上海硅酸鹽研究所合作，開發了一種基于MXene/碳納米管異質結構電極的離子型電化學驅動器，實現了低電壓刺激下的高性能彎曲變形，并探索了該驅動器在觸屏操作的柔性人工手指、軟體機器人等領域的應用。相關研究成果以“High-Performance MXene/Carbon Nanotube Electrochemical Actuators for Biomimetic Soft Robotic Applications”為題發表在國際學術期刊《Advanced Functional Materials》上。

離子在肌肉的收縮控制等生命活動中具有關鍵作用。與人體肌肉運動相類似，離子型電化學驅動器能夠在電場作用下通過內部離子的遷移產生機械變形，將電能轉化為機械能，具有低電壓驅動、質量輕、易加工、可控性高等優點，在軟體機器人、人工肌肉、人機交互等應用領域具有重要價值。然而，受到電極材料結構和特性的影響，目前離子型電化學驅動器在空氣中的電驅動性能仍然有限，制約了其在應用領域的進一步發展。

針對于此，研究人員將Ti3C2TxMXene納米片與羧基化碳納米管（CNT）相復合，利用酯化反應，制備了MXene/CNT二維/一維異質復合結構材料（圖1）。其中，CNT的摻入增加了MXene層的層間距，提高了其機械穩定性。與純MXene薄膜相比，MXene/CNT復合材料具有更豐富的孔徑分布以及更大的比表面積，可以為離子提供更多有序的通道和存儲空間，有利于內部離子遷移和儲存以及電化學驅動，進而能夠實現以MXene/CNT為電極的電化學驅動器的快速響應和大變形。

圖1. MXene/CNT異質結構電極的制備及表征

進一步研究表明，MXene/CNT電化學驅動器相比于純MXene電化學驅動器具有更加出色的電化學性能。當MXene與CNT質量比為1:1時，MXene/CNT驅動器的比電容可達151.5 F/g。得益于優異的電化學性能和力學穩定性，該驅動器在空氣中2.5V低電壓的刺激下能夠產生高性能機械變形（圖2），包括較大的彎曲位移（24mm）和應變（1.54%）、寬頻率響應（0.1 – 15 Hz）、高輸出力（5 mN）和良好的循環穩定性（10000次）。

圖2. MXene/CNT驅動器的電驅動性能

由于類似于超級電容器的離子遷移變形機制，離子型電化學驅動器在其表面具有帶電離子，可以模仿人類的手指來對智能手機和平板電腦等智能設備上的屏幕進行觸控操作。用MXene/CNT電化學驅動器構建人工手指，可在低電壓刺激下觸碰智能手機屏幕上的號碼來實現撥打電話的操作（圖3）。此外，該驅動器還可以對智能手機中電子鼓軟件進行變頻敲擊，并且其敲擊頻率可以通過控制刺激電壓的頻率來改變（圖4a）。當施加1Hz以及10Hz的2.5V交變電壓后，該驅動器以1Hz和10Hz的頻率敲擊了電子鼓（圖4b, 4c）。更進一步，通過提高驅動電壓的頻率，還實現了13Hz的敲擊（圖4d）。這個頻率能超過正常人類手指在智能手機上的正常敲擊頻率（約7.5 Hz）（圖4e）。除了單根人工手指的操作外，還可以使用兩個MXene/CNT驅動器來實現兩根手指的協同依次敲擊（圖4f）。

圖3.MXene/CNT驅動器模仿人類手指撥打電話

圖4. MXene/CNT驅動器模仿人類手指，在智能手機以可調頻率敲擊電子鼓

此外，研究人員還進一步探索了MXene/CNT驅動器仿生應用。由四片驅動器組成的仿生機械爪可以在6秒內抓取、移動并放下自身重量6倍的物體（圖5a）。利用驅動器大變形、易裁剪的優勢，將其裁剪成蜻蜓翅膀的形狀，制備了仿蜻蜓機器人，在施加電壓后可以模擬蜻蜓拍打翅膀的動作（圖5b）。同時，利用電化學驅動器的驅動電壓低的特點，結合太陽能電池，實現了基于該驅動器的人工樹葉在光照下的可逆變形（圖5c, 5d）。

圖5. MXene/CNT驅動器的仿生應用

上述研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基礎科研基金、安徽省自然科學基金等項目的大力支持。合肥工業大學碩士生張偉為論文的第一作者，合肥工業大學胡穎、中國科學院上海硅酸鹽研究所王冉冉為論文的共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408496

（胡穎/文 張偉/圖 翟華/審核）

責任編輯：夏瑞