近日，东华大学纺织学院许福军教授团队在柔性电热致动器领域取得新进展，成果以“基于聚二甲基硅氧烷涂层碳纳米管海绵体的高响应性高输出力柔性电热致动器” 为题（Highly responsive soft electrothermal actuator with high-output force based on polydimethylsiloxane coated carbon nanotube sponge），发表于《纳米快报》（Nano Letters），东华大学纺织学院22级博士研究生周邦泽为第一作者，许福军教授为通讯作者。
柔性致动器由于高自由度和多功能性，在人工肌肉、细胞支架、显微操纵器、柔性机器人等领域有着广泛的应用前景。受热力学第一定律启发，本文结合电热驱动和气动两种模式，制备出一种高响应性高输出力的柔性致动器。跟普通电热致动器相比，本工作制备的致动器可快速升至高温，比起普通气动致动器，该致动器结构简单，不需要压缩机、阀门或储气罐等等，可托起其重量约50倍的物体。该致动器符合柔性致动器的小型化、轻量化和灵活的特点，为智能致动器、多功能电子纺织品、智能机器人、医疗设备等发展开辟了新的前景。
该论文通过微爆破的方法使碳纳米管膜（CNTF）分层并制备出多孔的碳纳米管海绵体（CNTS），再用PDMS将CNTS进行封装，制成CNTS/PDMS柔性致动器。CNTS能在约1s内达到相应的温度，由于热胀冷缩的原理，其内部空气的体积随着温度的升高而增大，进而使整个致动器能在2.9s内膨胀，且可以托起其重量约50倍的物体，表明其具有超快响应和强大的输出力。此外，即使在水中，柔性致动器在接通电源后也表现出快速响应。
图1：(a) PDMS/CNTS致动器的制备流程图；(b) CNTF在H2O2溶液中的膨胀过程；(c) CNTS/PDMS的实物图；(d) CNTF的表面SEM图；(e) CNTF的截面SEM图；(f) CNTS的截面SEM图
图2：(a) CNTS的电热性能；(b) 从0.5到3.5 V的上升/下降时的电热可重复性；(c) CNTS/PDMS致动器在不同电压下的膨胀曲线；(d) CNTS/PDMS致动器在施加的4 V电压下，致动器在100个循环内的稳定性和可重复性测试；(e) CNTS/PDMS致动器在不同电压下托起10 g砝码的反应时间
该研究得到国家自然科学基金面上项目，上海市自然科学基金面上项目，中央高校基本科研业务费专项资金和东华大学研究生创新基金资助。
（CNTS/PDMS致动器在6 V电压下的膨胀视频）文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01458
