受肌肉启发！基于石墨烯超柔性相变材料，用人造肌肉或软体机器人

摘要：本文，北京大学王启宁教授、邹如强教授团队在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Muscle-Inspired Super-Flexible Phase Change Materials with Programmab

1成果简介

本文，北京大学王启宁教授、邹如强教授团队在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Muscle-Inspired Super-Flexible Phase Change Materials with Programmable Deformation for Photothermal Actuation”的论文，研究首次优化并构建了具有石墨烯纳米片增强功能的自支撑聚氨酯基固-固PCM（简称 PU-ssPCM/GNP）的交联均质网络结构，从而实现了可编程柔性PCM。值得注意的是，三维（3D）动态交联网络的构建有望同时实现 PU-ssPCM/GNP 的高潜热容量、韧性和形状记忆特性。

具有代表性的PU-ssPCM/GNP样品（1 wt.%）表现出了值得称道的特性：高潜热储存能力（ΔHm = 105.3 J g-1，ΔHc = 105.0 J g-1）、显著的断裂伸长率（ε = 1543%）、抗拉强度（σ = 19.2 MPa）和卓越的形状记忆性能（Rr = 90.3%）。此外，柔性 PCM 还具有以下其他诱人的可调机械性能：1）高刚性，可支撑比自身重 200 倍的重物；2）出色的承载能力，可举起超过自身重量 50 000 倍的物体。值得注意的是，当受到光热刺激时，它可以举起超过自身重量 2620 倍的物体，功密度达到 1330 kJ m-3。由于具有高热能储存能力和光热驱动性能的优点，柔性 PCM 可以保持特定的形状和位置，而无需持续输入能量，因此在节能和简化控制系统方面比其他类型的响应材料具有明显优势。这种柔性 PCM 同时具有高潜伏容量和光热驱动性能，为人工肌肉或软机器人开辟了一条新途径，可满足复杂场景下的节能和热管理要求。

2图文导读

图1、PU-ssPCM的结构设计、制造和性能表征。

图2、复合工艺和结构性能。

图3、化学结构和热物理性质。

图4、PU-ssPCM/GNP 的化学结构和机械性能。

图5、形状记忆效应机制分析。

图6、光热驱动相变人造肌的应用探索。

3小结

总之，我们首次利用预聚合和超声波空化方法成功开发出了具有可编程变形和光热致动特性的柔性固-固 PCM。典型的 PU-ssPCM/GNP 混合物（1 wt.%）具有高韧性（εmax=1543%，σmax=19.2 MPa）、高潜热存储/释放性能（ΔHm=105.3Jg-1，ΔHc=105.0Jg-1）和形状记忆行为（Rr= 90.3%）。这主要归功于通过策略性地引入多种氢键相互作用和晶体骨架，构建了三维动态网络。此外，柔性 ssPCM 还具有出色的循环耐久性、形状稳定性、一定的刚性和出色的承载能力，其承载能力超过自身重量的 50 000 倍。值得注意的是，它还表现出惊人的光热驱动性能，在光热刺激下可举起超过自身重量 2620 倍的重物，输出功密度高达 1330 kJ m-3。由于具有较高的潜热储存和释放能力以及光热驱动性能，柔性 PCM 能够维持特定的形状和位置，而无需持续输入能量，这对于人工肌肉和软机器人在节能和简化控制系统方面的应用非常有利。

文献
:https://doi.org/10.1002/adfm.202418848