机器人除了满足日常的需要外，还需要在恶劣的环境下工作。对于弹跳机器人的材料设计，需要同时满足强驱动力，短时间内大的弯曲曲率，良好的环境耐受性。为了解决这一挑战，南开大学刘遵峰教授、美国德州农工大学方磊教授、中国药科大学周湘副教授合作，发明了一种具有虾壳结构的薄膜弹跳驱动器，由共轭的梯状聚合物poly(indenoquinacridone)（PIQA）和各向异性的碳纳米管薄膜（CNS）复合而成。PIQA/CNS薄膜的多孔结构保证了快速吸收和释放有机蒸汽。得益于梯状聚合物PIQA的优异稳定性，此驱动器不仅可以承受225°C高温，而且浸泡在多种有机溶剂中不被腐蚀，甚至可以在浓硫酸中爬行。PIQA/CNS驱动器不仅能够在复杂恶劣条件下工作，而且为性能优异的弹跳机器人提供了新的设计策略。
千百年的进化使得自然界中的昆虫和动物有不同的运动方式，包括行走、爬行、跳跃等。设计能够实现这些驱动方式的软体爬行机器人很有意义。相比爬行驱动，强健的弹跳机器人要求更高，需要满足（1）分子刚性强，能够有大的驱动力和足够快的响应速度，（2）高的灵活性以获得高的弯曲曲率。根据前人的报道，由弹性体或水凝胶组成的膜驱动器虽然弯曲曲率大，但驱动力小速度慢；而基于硬质材料的驱动器可以产生大的速度和驱动力，但是弯曲曲率小，所以同时实现大的驱动力、高的驱动速度和大的弯曲角度是一个挑战。
尽管弹跳驱动器也有些许报道，但是有一个问题有待解决，就是需要在恶劣的环境条件下工作。相比普通的单链高分子材料，该研究团队制备了梯状聚合物PIQA，其有高模量、高的热稳定性以及抗溶剂能力，其刚性和脆性的弱点，可以通过与CNT复合形成“虾壳结构”来解决。
PIQA/CNS的制备过程如下：将PIQA的前体poly(aniline-co-fluorene) (PAF)溶解在甲磺酸中，形成均相溶液，将其滴涂在各向异性的碳纳米管膜(化学气相沉积法得到)上，烘箱150°C处理得到双层膜，其中PIQA层的一部分可以渗入碳纳米管薄膜中，其芳香共轭骨架与碳纳米管形成良好的界面。该双层薄膜可作为双晶片驱动器，在有机溶剂蒸汽刺激下，PIQA层具有极性官能团(–C=O and –NH)吸收溶剂膨胀，可以作为驱动层；CNS层作为支撑层，从而引起形变驱动。形变产生的内应力使刚性的PIQA层断裂，但其又紧密贴附在碳纳米管层表面，形成“虾壳结构”。这种结构不仅呈现了PIQA的刚性，能够实现大的驱动力和驱动速度；也展现了与PIQA紧密连接的CNT膜的柔性，实现了驱动器大的弯曲形变曲率和灵活性。
图1 具有虾壳结构的PIQA/CNS薄膜的制备和驱动原理
令人惊喜的是，PIQA/CNS驱动器的性能十分优异。将其放在二氯甲烷液面上，薄膜在伸展过程的4.33 s弯曲速度602.8 °/s, 弯曲角度261°/mm，在整个9.17s驱动过程中，弯曲速度314.1°/s，弯曲角度288°/mm；当将其放在二氯甲烷蒸汽接近饱和的液面上，在伸展过程0.3s内，弯曲角度188°/mm，弯曲速度6000°/s，整个驱动过程0.58 s内，驱动速度4013.7°/s，弯曲角度234°/mm；当向驱动器吹溶剂蒸汽(22.7 mg/s)时，响应时间0.04 s，驱动速度7875°/s。其最大的弯曲角度288°/mm，最快的响应时间0.04 s，这是现有报道的性能最好的薄膜驱动器之一。
图2 PIQA/CNS驱动器的驱动性能以及与文献对比
图3 PIQA/CNS驱动器的弹跳性能
图4 PIQA/CNS的耐高温耐极端溶剂环境性能比较
该弹跳机器人为机器人和智能装备在快速响应和实践操作等方面的设计提供了灵感，其环境耐受性可确保其在极热或者极端环境条件下运行，例如探测宇宙，登陆月球和火星。此外，这种独特的设计也为微操控、微芯片、超灵敏检测挥发性气体、以及其它仿生应用提供了新的可能。
本研究在国家自然科学基金、天津市自然科学基金和南开大学相关计划等资助下完成，成果发表于国际权威期刊Advanced Materials上。南开大学化学学院刘遵峰教授，中国药科大学周湘副教授，美国德州农工大学方磊教授为该文章的共同通讯作者，于凯晴、季小周和袁天宇为共同第一作者。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104558
https://doi.org/10.1002/adma.202104558
