本文由北京大學張海霞教授撰寫，發表於《科學通報》“亮點述評”欄目，介紹清華大學孫洪波教授和吉林大學張永來教授、韓鼕鼕博士研究團隊的近期成果：雙層材料“互為陰陽”，整合為雙重響應驅動器，可在溼度、光照兩種不同刺激下驅動機器人運動。
在智慧系統中，驅動器與感測器並列為最重要的兩類器件，各種各樣的感測器負責感知外界訊號，驅動器則可以根據周圍環境變化發生形變，將各種環境能量（例如: 光能、熱能、化學能等）轉換為機械能，從而驅動相應的部件進行工作，是微機電系統(MEMS)、自適應光學、無人駕駛等應用前景中不可或缺的核心部件。
在驅動器製備方面，普遍採取的方法是將多種具有不同物理/化學性質的材料組裝成雙層或多層結構。依靠不同材料對環境變化的不同響應，實現刺激響應驅動。透過這種方式，驅動器不需要耦合外部能量供給系統，可以直接從環境中獲得能量發生形變。目前，基於上述原理，多種功能材料（如聚合物、金屬、碳、生物材料等）對不同刺激（如光、溫度、pH、溶劑）敏感的雙層驅動器已經廣泛製備[1~3]。
然而，這類雙層結構的驅動器通常僅對單一的訊號敏感。在這類雙層結構驅動器的設計中，通常是依靠活性層的體積變化在異質材料介面處將產生應變失配，進而實現可控變形，而惰性層並無特定功能，例如溼度響應的氧化石墨烯執行器[4~6]。在設計雙重、多重響應的應驅動器時，通常的做法是簡單地整合兩個或多個雙層結構，這使得器件結構變得越發複雜。目前仍然缺乏普適性的設計方法來簡化多重響應驅動器的設計與製備。
以太極圖為代表的“陰陽互補”理論是中國傳承五千年的經典哲學，認為世界上所有事物之間都是相互依存、相互制約的，並且在“陰”“陽”中相對與互補。實際上，這種哲學概念在科學研究中同樣存在，只不過“陰”和“陽”可能具有不同的科學內涵，譬如：材料科學中的二元協同互補、物理中的質子和電子、中醫藥中的陰虛和陽虛等[7~9]。
2020年2月，清華大學孫洪波教授和吉林大學張永來教授、韓鼕鼕博士研究團隊[10]合作，受“陰陽互補”哲學理論啟發，將此策略應用於設計和製備具有雙向彎曲特點的雙重刺激響應驅動器，實現了器件結構的簡化以及效能的最佳化，效果十分顯著，相關成果以“A ‘Yin’-‘Yang’ complementarity strategy for design and fabrication of dual-responsive bimorph actuators”為題發表在Nano Energy上。
互補策略用於雙重響應驅動器的設計與製備[10]。(a) 製備過程; (b) 工作原理
研究者巧妙地用兩層材料在兩種不同刺激下的不同響應代指“陰”和“陽”，這兩種材料分別是奈米石墨(Nano-G)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的複合材料層(Nano-G@PVDF)與GO材料層，二者整合形成雙層結構。在溼度刺激下，因為GO對水分子敏感，GO作為活性層，表示“陽”; 而Nano-G@PVDF由於對水分子不敏感，作為惰性層，表示“陰”。相反，在光照刺激下，GO具有非常小的熱膨脹係數，作為惰性層，表示“陰”; 而Nano-G@PVDF具有相對較大的熱膨脹係數，作為活性層，表示“陽”。兩層材料互為補充，根據外界刺激型別的不同，分別作為活性層和惰性層用於溼度和光熱驅動，達到了相互依存、制約、互補進行雙重響應驅動的效果。
此外，作者將“陰陽互補”的思想推廣到軟體機器人的製備，分別製備了雙向爬行機器人和智慧機械手陣列，實現了對雙向可逆的驅動。這種以哲學思想指導科研工作的研究思路值得借鑑。
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10 Zhang Y L, Ma J N, Liu S, et al. A “Yin”-“Yang” complementarity strategy for design and fabrication of dual-responsive bimorph actuators. Nano Energy, 2020, 68: 104302
【來源：科學通報】
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