软体驱动器（Soft Actuators）作为软体机器人的“肌肉”，能够在外界刺激（如湿度、光、电、热等）下发生形变，从而实现抓取、爬行、开花等复杂动作。传统双层软体驱动器通常由两种对刺激响应不同的材料构成：一层主动膨胀或收缩，另一层相对惰性。差异响应带来显著弯曲，但同时也带来界面应力集中、失配加剧，长期循环后易出现疲劳与断裂。

  近日，南京邮电大学黄维院士、李佳慧副教授等人，采用真空自组装/层层过滤策略，构筑了二维材料基同构异质Janus 双层薄膜，成功解决了驱动器在形变过程中由于应力问题导致的长循环差，不可控等问题。实现了该工作以“Bimorph Soft Actuators Based on Isostructural Heterogeneous Janus Films”为题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者是南京邮电大学李佳慧副教授。该研究得到国家自然科学基金，江苏省自然科学基金等项目的支持。

图1.IHJ薄膜的示意图与表征。

  IHJ致动薄膜一侧为 Ti₃C₂T_x MXene，另一侧为 GO 与一维细菌纤维素（BC）纳米纤维的复合层。BC 纳米纤维在 GO 纳米片间交织并通过氢键“缝合”，形成强度更高、层间滑移更温和的复合骨架；MXene 层提供优良导电与光热响应。两层之间在二维层状结构上匹配，依靠氢键与范德华力形成平整致密的界面，显著缓解了传统双层结构的失配与疲劳问题（图1）。

图2.IHJ薄膜执行器的形变机制。

  研究分别从实验和理论计算的角度深入分析了IHJ 薄膜实现可控驱动的的核心机理。结果表明“层间水分子吸脱附驱动的非对称胀缩”是导致薄膜可控形变的主要原因。在湿度、电、热、光等刺激下，GO-BC 侧更易吸附并保持水分子，整体趋向收缩；MXene 侧释放水分更明显，层间距相对扩张。两侧“收—胀”不同步，产生内在弯曲矩，驱动宏观弯曲。（图2）。

图3. IHJ薄膜致动器的可控驱动探究。

  工作对IHJ薄膜通过电阻加热驱动的可控驱动能力（方向和程度）进行了全面研究。以可控直流电压作为驱动力，则可以实现基于IHJ膜的致动器在0至2.5 V的低压范围内的可控变形范围。 形变过程不会导致MXene从GO-BC层脱离，这得益于二维材料中氢键作用和显著的层间滑移特性——这一独特优势使这类执行器超越其他双层膜驱动器。由于膜材超薄、超轻的特性及其优异的耐热性，执行器通常能在10秒内响应刺激。IHJ薄膜展现出出色的循环性能，在2.5 V刺激下可承受100次重复动作而不明显衰减，误差范围为0.5至5°。 因此，IHJ薄膜在低压驱动下表现出快速响应和循环稳定性。

图4. 软机器人在多刺激下的应用。

  工作进一步针对IHJ薄膜设计了在电、湿度及光照刺激下的演示实验。如图4所示，采用四个由IHJ薄膜致动器制成的花瓣能在电阻加热作用下灵活实现开合。通电时，热阻效应会引发层间水分子的显著运动，从而带动花瓣逐渐展开。此外，柔软的IHJ薄膜致动器凭借高导电性和灵敏的湿度响应特性，为智能无源开关的开发铺平了道路。该开关通过湿度驱动形变实现自动化控制进一步，通过间歇性暴露于红外灯下，IHJ薄膜能够模拟出“毛毛虫爬行”的运动轨迹，充分展现了其卓越的显著形变能力和灵活动态操控性能。

  总的来说，工作提出一种二维材料复合材料构成的独立式IHJ薄膜，并深入解析其工作原理及作为软致动器的潜在应用价值。该薄膜采用轻量化设计，可无缝集成到各类机器人系统中。凭借显著的形变能力，这种材料具备执行复杂动作的灵活性，为机器人应用提供了关键技术支持。 此外，该薄膜对环境刺激的快速响应特性及其多重响应能力，使其能在多种工况下高效运作。IHJ薄膜还具备低功耗优势，不仅提升了能效表现，更能确保长期稳定运行。凭借其经济实惠的生产成本，这款薄膜在软体机器人研发领域展现出广阔的应用前景，堪称理想之选。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16626