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柔性驱动器能够主动将复杂的外部刺激（如光、电、湿度、磁力和压力）转化为机械变形，因此推动了软体机器人在人工肌肉、智能家居、运输、人机交互和药物输送等领域的不断发展。光是一种取之不尽、用之不竭的清洁资源，它可以作为一种刺激能源，从远处灵活地驱动柔性驱动器，这也是光驱动器受到广泛关注的原因。然而，传统的光驱动器由于缺乏类似人类的自我感知能力，阻碍了软体机器人向智能交互方向的发展。因此，开发协调环境刺激响应驱动和自供电多模态智能感知的策略仍然具有挑战性。
近日，福建理工大学翁明岑副教授、闽江学院陈华民副教授和中科院纳米所李舟教授合作在期刊《Nano Energy》上，发表了最新研究成果“2D Ti3C2Tx MXene-Based Light-Driven Actuator with Integrated Structure for Self-Powered Multi-Modal Intelligent Perception Assisted by Neural Network”。研究者通过真空抽滤辅助自组装工艺，制备出柔性自支撑的n型MXene-甲壳素纳米纤维（MCHF）复合薄膜，并通过原位贴合PEDOT:PSS/PET薄膜构筑了一种具有自供能传感的MCHF/PET/PEDOT:PSS柔性光驱动器。
图1：基于具有自供能传感的光驱动器提出的神经网络辅助“驱动-温度感知-材质感知”集成策略的概念图。
如图2所示，我们采用真空抽滤辅助自组装工艺，引入甲壳素纳米纤维（CHF）来调节Ti3C2Tx MXene纳米片的力学性能。MCHF复合膜的制备过程和表征结果如图2所示。通过温和蚀刻和超声剥离法得到的Ti3C2Tx MXene纳米片在真空抽滤的辅助下与CHF自组装，从而构建了具有多层结构的柔性自支撑MCHF复合薄膜。该复合薄膜表现出优异的力学性能、电学性能和光热转换性能。
图2：MCHF复合薄膜的制备与表征。
如图3-4，基于MCHF/PET/PEDOT:PSS双层薄膜优异的光热电性能（Seebeck系数为23.3 μV K-1），我们首先通过在MCHF层上构建温差，开发了一种具有光驱动形变功能（弯曲曲率为0.59 cm-1）和自供电相对温度感知功能的光热电驱动器，这两种功能可以同时生效且互不影响。基于该光热电驱动器设计的智能窗帘可以在近红外光的辐照下自发打开并输出同步的热电信号。
图3：MCHF/PET/PEDOT:PSS双层薄膜的热电性能。
图4：具有相对温度感知功能的MCHF/PET/PEDOT:PSS基光热电驱动器的光驱动和动态PTE性能。
其次，如图5-6，我们以MCHF/PET/PEDOT:PSS双层薄膜作为摩擦电负极构筑了接触-分离式摩擦电纳米发电机（TENG），其表现出优异的输出性能（输出电压为144.7 V）。在此基础上，我们利用弯曲驱动力触发接触-分离作用，开发了具有自供电材质感知功能的摩擦电驱动器。该摩擦电驱动器在接触不同物体时可进行不同程度的电荷传递，从而自发输出相应的自供电电压信号。
图5：MCHF-TENG的摩擦电输出性能。
图6：MCHF-TENG的机械能收集性能。
图7：MCHF-TENG的机械能收集性能。
图8：MLP神经网络辅助的智能材质感知系统。
最后，如图7-8，我们通过将光热电驱动器和摩擦电动驱动器紧密集成，开发了一种智能抓手，可以实现光驱动形变和多模态（相对温度/材料）感知的协同效应。在MLP神经网络的辅助下，复杂的自供电电压信号的平均识别准确率可达98%。这项工作为Ti3C2Tx MXene基软体机器人与复杂环境之间的智能交互提供了一种简单实用的策略。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110552
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