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物理所碳納米管薄膜基人工肌肉致動器研究取得進展
碳納米管自上世紀九十年代初發現以來，一直是人們研究的熱點。各種類型的碳納米管及其宏觀聚集體陸續被報道，其優異的力學、電學性能也不斷地被挖掘，用以制備高性能的多功能納米復合材料、超級電容器及致動器等。
中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組，多年來一直致力于各種納米材料的研究。近年來他們又在碳納米管宏觀薄膜及其復合材料的制備、性能及應用研究方面取得了系列進展。他們利用CVD方法制備出了宏觀尺度的碳納米管薄膜及纖維（Nano. Lett. 2007, 7, 2307, Adv. Mater. 2009, 21, 603），并利用這種連續的力電傳遞載體制備了高性能的新型碳納米管復合纖維（Nano. Lett. 2009, 9, 2855）、復合薄膜（Nanoscale 2011, 3, 3731）及卷繞式電化學超級電容器（Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1440）。最近，在以上工作的基礎上，該研究組解思深院士指導的博士生李金柱等人又在碳納米管薄膜基人工肌肉致動器制備及性能研究方面取得了新進展。
很多材料在光、電、熱、磁等激勵下會產生彎曲、伸縮等類似自然肌肉的力學形變，被稱為智能材料或人工肌肉，可廣泛用于仿生機器人、開關、傳感器等。傳統的智能材料包括壓電陶瓷材料、記憶合金等，很多新型的聚合物材料也有類似的性能，但卻擁有更小的密度，更低的價格。其中，離子型電致動聚合物是一種能將電能直接轉化成機械能的材料，包括導電聚合物、碳納米管、離子聚合物凝膠等，其致動原理是外電場驅動下離子的遷移和聚集導致的不均勻體積形變。其工作電壓通常只有幾個伏特，這使得它們成為輕質仿生系統運動部件的首選材料。但是離子遷移通常需要在溶液中進行，并且需要克服阻力做功，所以使得這種電致動器件響應較慢（秒至分鐘）、頻率使用范圍很窄（通常小于1 Hz）、力學輸出能力也相對較弱。
針對這些難題，研究人員采用連續的碳納米管薄膜作為電極層及力學增強體，用灌注了離子液體的天然聚合物凝膠作為電解質層，熱壓組裝成三明治結構的電致動聚合物器件。對這樣的懸臂梁式器件兩電極層間施加一個交流電場，它就會發生快速的往復擺動。與之前的離子型聚合物致動器相比，這種新型致動器可以長期穩定地工作在空氣環境中，其電力學性能也有著一到兩個數量級的進步，如超快的電力學響應（18毫秒）、相當寬的頻率使用范圍（幾十至上百Hz）以及驚人的力學輸出能力（1080 MPa/s, 244 W/Kg）。
如此顯著的性能提高，不僅是因為碳納米管與選用的聚合物材料及離子液體有著良好的生物相溶性，還來源于碳管薄膜電極的高電導及其優異力學性能對整個復合器件力學性能的提高和調制。這種新型的電致動器件可以工作在很寬的頻率內，如低頻下工作的夾持裝置或人工機器人手臂的彎曲構件，或高頻共振頻率下工作的輕型仿生飛行機器人的動力系統或仿生飛行昆蟲的翅膀。
相關結果發表在Nano Lett.（2011, 11, 4636-4641）上。
以上相關工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委員會、科技部和北京市教委的支持。
圖1? 碳納米管薄膜基人工肌肉致動器的組裝示意圖(a)與SEM截面形貌圖(b)
圖2? 碳納米管薄膜基人工肌肉致動器的的電致動原理圖(a-c)及實驗光學圖(d-f)
圖3? 碳納米管薄膜基人工肌肉致動器的超快電力學響應(a)及模型分析圖(b)
圖4? 碳納米管薄膜基人工肌肉致動器力學輸出的頻率響應關系圖：(a) 應力、應變速率；(b) 能量密度、功率密度
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