北科納米可提供仿生刺激感覺和無(wú)線通信的熱偽裝MXene機(jī)器人皮膚（可定制）

具有動(dòng)態(tài)光學(xué)偽裝、環(huán)境感知和群體交流能力的頭足類皮膚長(zhǎng)期以來(lái)一直是開發(fā)具有令人難以置信的光電功能的軟機(jī)器人的生物靈感來(lái)源。然而，在為具有無(wú)限自由度的軟機(jī)器人設(shè)計(jì)具有高級(jí)功能集成的可拉伸且柔順的機(jī)器人皮膚方面仍然存在挑戰(zhàn)。

來(lái)自東華大學(xué)的學(xué)者開發(fā)了一種新興的二維材料 Ti3C2Tx，并且采用 MXene 和界面工程策略來(lái)制造多功能的柔軟的機(jī)器人皮膚。通過(guò)利用界面不穩(wěn)定性，具有可重構(gòu)微紋理的 MXene 機(jī)器人皮膚展示了可調(diào)節(jié)的紅外發(fā)射（0.30-0.80），可為軟機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱偽裝。受益于固有的塞貝克效應(yīng)、裂紋傳播行為以及高導(dǎo)電性，MXene 機(jī)器人皮膚與熱/應(yīng)變感知能力緊密結(jié)合，可用作無(wú)線通信的可變形天線。在沒有安裝額外電子設(shè)備的情況下，穿著保形 MXene 皮膚的軟機(jī)器人根據(jù)熱電反饋執(zhí)行自適應(yīng)熱偽裝，以響應(yīng)環(huán)境溫度變化。相關(guān)文章以“Thermal Camouflaging MXene Robotic Skin with Bio-Inspired Stimulus Sensation and Wireless Communication”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202110534

圖1. 基于可重構(gòu) MXene 微紋理的多功能性的人造機(jī)器人皮膚示意圖。a) 靈感來(lái)自頭足類動(dòng)物柔軟皮膚的 MXene 機(jī)器人皮膚的設(shè)計(jì)理念。b) MXene 機(jī)器人皮膚具有高度可拉伸性，可用作 i) 可調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器，能夠動(dòng)態(tài)熱偽裝以隱藏具有高表面溫度的軟機(jī)器人，ii) 雙功能壓阻和熱電傳感器，用于監(jiān)測(cè)可逆機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和環(huán)境實(shí)時(shí)溫度變化，iii) 微波偶極子天線，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程機(jī)器人-機(jī)器人通信以發(fā)送/接收無(wú)線信號(hào)。
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圖2. 具有可調(diào)節(jié)紅外發(fā)射的MXene 機(jī)器人皮膚，可用于動(dòng)態(tài)熱偽裝。a) 褶皺紋理MXene 薄膜和平面 MXene 薄膜的紅外發(fā)射（吸收）光譜。b) 兩種簡(jiǎn)化的 MXene 模型（尺寸不同：一個(gè)為 5.4 × 3.2 μm，另一個(gè)為 8.0 × 5.0 μm，波長(zhǎng) × 幅度）在入射EM 波長(zhǎng)下的模擬電場(chǎng)分布分別為9 μm（頂部）和 13 μm（底部）。c) MXene 機(jī)器人皮膚在增加的面積應(yīng)變下的示意圖（上）和 SEM 圖像（下）。d) MXene 機(jī)器人皮膚在不同面積應(yīng)變下的紅外發(fā)射（吸收）光譜。e) 熱像儀記錄的溫度下不同區(qū)域應(yīng)變下的溫度。
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圖3. 基于 MXene 涂層介電彈性體致動(dòng)器 (DEA) 的受頭足類動(dòng)物啟發(fā)的熱偽裝陣列。a) 頭足類皮膚的數(shù)碼照片，通過(guò)其色素細(xì)胞的可逆收縮（頂部）和擴(kuò)張（底部）顯示動(dòng)態(tài)光學(xué)偽裝。b) MXene 涂層 DEA 的示意圖。c)圓形 MXene 涂層 DEA（直徑 2 厘米）的面應(yīng)變和溫度變化。d) 兩個(gè)具有三角形（頂部）和五邊形（底部）圖案的 MXene 涂層 DEA 陣列的紅外熱圖像，顯示出類似于頭足類色素細(xì)胞的動(dòng)態(tài)紅外偽裝。
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圖4. 具有熱感、應(yīng)變感和無(wú)線通信的高級(jí)功能集成的熱偽裝 MXene 機(jī)器人皮膚。a) 穿著具有仿生多功能的 MXene 機(jī)器人皮膚的軟機(jī)器示意圖。b) MXene 機(jī)器人皮膚的輸出熱電電壓作為溫差 ( ΔT ) 的函數(shù)。c) MXene 機(jī)器人皮膚在冷( ΔT≈ -9 °C) 和熱 ( ΔT≈ +9 °C )重復(fù)刺激下的熱電電壓變化。d) MXene 機(jī)器人皮膚在不同區(qū)域應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化。e) 軟步行機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)模式下佩戴兩個(gè) MXene 機(jī)器人皮膚的阻力變化。插圖是軟步行機(jī)器人的照片。
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圖5. “一體式”軟機(jī)器人能夠自適應(yīng)熱偽裝，并且能實(shí)現(xiàn)仿生刺激感覺和無(wú)線機(jī)器人間通信。a) 在指定位置佩戴三個(gè) MXene 機(jī)器人皮膚模塊的軟步行機(jī)器人示意圖。b) 通過(guò)利用三個(gè) MXene 皮膚模塊執(zhí)行機(jī)器人功能。c)兩個(gè)軟機(jī)器人的自適應(yīng)熱偽裝及其相互通信。d) 在自適應(yīng)熱偽裝過(guò)程中記錄的應(yīng)變/熱感覺和無(wú)線通信信號(hào)。

總之，受頭足類動(dòng)物皮膚的啟發(fā)，MXene機(jī)器人皮膚具有四個(gè)緊密集成的功能，這得益于它們的優(yōu)勢(shì)特性：1）可重構(gòu)的皺褶狀微紋理，2）有趣的紅外光學(xué)特征（Δe ≈0.5），3 ) 高電導(dǎo)率 (≈2500 S m?-1?)，和 4) 固有熱電特性（塞貝克系數(shù)為 -5.88 μV K?-1）。本文設(shè)想具有高級(jí)功能集成的 MXene 機(jī)器人皮膚可以應(yīng)用于各種未來(lái)技術(shù)。
首先，由于其機(jī)械柔順性和超薄特性，MXene 機(jī)器人皮膚可以集成到許多其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（例如，液壓、電動(dòng)和磁力）中而不會(huì)影響它們的驅(qū)動(dòng)行為，從而賦予各種軟機(jī)器人類似的增強(qiáng)功能。其次，具有可調(diào)紅外發(fā)射的可重構(gòu) MXene 微紋理可用于開發(fā)用于個(gè)人熱管理的智能衣服和用于不可見信號(hào)傳輸?shù)募t外顯示器。第三，考慮到簡(jiǎn)單的制造工藝和簡(jiǎn)單的設(shè)備配置，先進(jìn)的打印技術(shù)可用于為 MXene 機(jī)器人皮膚配備復(fù)雜、更高分辨率的圖案到微型機(jī)器人上。最后，同樣重要的是通過(guò)整合片上機(jī)器學(xué)習(xí)，可以在現(xiàn)場(chǎng)處理應(yīng)變和溫度傳感的雙通道數(shù)據(jù)（無(wú)需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心），方便不受束縛的軟機(jī)器人計(jì)劃后續(xù)工作無(wú)需人為干預(yù)的動(dòng)作。（文：SSC）