近日，研究人員利用超快激光處理技術(shù)開(kāi)發(fā)出了對(duì)水分敏感、形狀變形、光滑的石墨烯智能表面。這種單一、仿生表面功能特性的組合，將有助于環(huán)境傳感應(yīng)用例如雨滴收集。新的混合表面還可以直接利用自然或人工設(shè)計(jì)的水蒸發(fā)產(chǎn)生的能量，然后將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能。新技術(shù)未來(lái)將對(duì)氣候感應(yīng)建筑系統(tǒng)、智能紡織品或仿生機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生影響。

　　來(lái)自中國(guó)吉林大學(xué)的科學(xué)家們從食肉植物中獲得靈感，食肉植物可以通過(guò)主動(dòng)誘捕和被動(dòng)誘捕兩種機(jī)制之一誘捕和消化小昆蟲(chóng)。例如，豬籠草（Nepenthes）通過(guò)注入潤(rùn)滑劑的光滑表面通過(guò)被動(dòng)誘捕機(jī)制捕獲昆蟲(chóng)，而維納斯捕蠅草（Dionaea muscipula）則通過(guò)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行主動(dòng)誘捕（如圖1 所示）。

　　在過(guò)去，雖然開(kāi)發(fā)這類(lèi)特性的表面都是單獨(dú)開(kāi)發(fā)的，但據(jù)研究人員稱到目前為止，將這些特性組合到單一表面仍然具有挑戰(zhàn)性。在Opto-Electronic Advances 中，研究團(tuán)隊(duì)描述了他們利用飛秒激光直接寫(xiě)入和同步結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的光還原技術(shù)克服了挑戰(zhàn)。

　　這種技術(shù)被用于制備在濕氣驅(qū)動(dòng)下動(dòng)態(tài)變形的氧化石墨烯（GO）和激光還原氧化石墨烯（LRGO）雙層致動(dòng)器。然后，通過(guò)毛細(xì)管力在激光還原氧化石墨烯一側(cè)固定潤(rùn)滑劑，并將注入潤(rùn)滑劑的光滑表面與致動(dòng)器整合。其結(jié)果是形成了一個(gè)混合型、水分敏感、形狀變形、光滑的表面，展示了主動(dòng)捕獲和被動(dòng)捕獲能力。

　　傳統(tǒng)的刺激響應(yīng)執(zhí)行器能夠在外部刺激下實(shí)現(xiàn)可逆變形，顯示出開(kāi)發(fā)陷阱機(jī)器人的巨大潛力。然而在大多數(shù)情況下，由于對(duì)環(huán)境刺激反應(yīng)緩慢或缺乏表面潤(rùn)濕性控制，簡(jiǎn)單的彎曲變形無(wú)法捕獲昆蟲(chóng)。研究人員將濕敏致動(dòng)器與潤(rùn)滑油注入的光滑表面結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)力和滑性的協(xié)同作用使充油LRGO/GO 膜具有更強(qiáng)的捕捉能力。

　　研究團(tuán)隊(duì)展示了一種濕敏形狀變形的光滑表面，可以主動(dòng)接觸液滴并讓它們被動(dòng)滑動(dòng)。基于這種混合仿生概念，他們研制了一種智能青蛙舌頭，可以捕捉和操縱含有活管足類(lèi)的水滴（圖2a 和2b）。值得注意的是，濕滑的表面在濕氣驅(qū)動(dòng)下會(huì)彎曲，接觸到液滴并讓它滑到底部，這表明了主動(dòng)捕捉和被動(dòng)捕捉能力。

　　除了智能青蛙舌頭，研究人員還準(zhǔn)備了一種水分感應(yīng)花，在瓶頸處有六個(gè)可變形且光滑的花瓣，用于主動(dòng)收集液滴（圖2c）。當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，花朵盛開(kāi)將光滑的表面暴露在環(huán)境中。隨著濕度增加，花瓣向中心彎曲。彎曲特性和光滑的表面使液滴能夠傳輸?shù)狡孔又小?/p>

　　除了液滴操縱之外，這種對(duì)水分敏感的形狀變形的光滑表面還顯示了摩擦電效應(yīng)在液滴檢測(cè)中的潛在應(yīng)用。在這項(xiàng)工作中，將摩擦電效應(yīng)與形狀變形的光滑表面相結(jié)合的目的是檢測(cè)液滴而不是發(fā)電。它能夠敏感地檢測(cè)形狀變化的光滑表面上的液滴滑動(dòng)行為，這對(duì)液滴操縱非常有幫助。

　　研究人員通過(guò)在氧化石墨烯側(cè)沉積一對(duì)金電極來(lái)檢測(cè)電信號(hào)。濕滑表面的潤(rùn)滑層被用作液滴滑動(dòng)的主動(dòng)可變形濕滑基底，以及用于有效電荷轉(zhuǎn)移的介電層。如圖 2g 和2h 所示，當(dāng)液滴滑過(guò)前后電極時(shí)，可以檢測(cè)到電信號(hào)。摩擦電效應(yīng)引起的電信號(hào)可以解釋為：最初兩個(gè)金電極之間的電位是相等的，兩個(gè)金電極之間沒(méi)有電位差。當(dāng)液滴從前電極滑到后電極時(shí)，由于雙電層的形成，可在前金電極上感應(yīng)電荷，導(dǎo)致電位差增大。

　　這項(xiàng)工作的意義在于，研究人員制作了一種形狀可變的光滑表面，該表面具有刺激響應(yīng)變形和油潤(rùn)滑光滑特性的混合仿生功能。形狀變形能力與光滑表面的結(jié)合既有利于驅(qū)動(dòng)性能，也有利于具有超濕性的智能表面的實(shí)用性。

　　此外，它還帶來(lái)了除目標(biāo)昆蟲(chóng)捕捉之外的新應(yīng)用，例如液滴收集、液滴操縱和雨量傳感。注入液體的表面因清潔、防結(jié)冰和防生物污染等特性而得到開(kāi)發(fā)?？缥锓N仿生材料既有利于致動(dòng)器設(shè)計(jì)也有利于超濕智能表面的開(kāi)發(fā)，濕敏形狀變形光滑表面顯示出發(fā)展仿生機(jī)器人的巨大潛力。

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