CN117006007B - 光致动器件及其制备方法和机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光致动器件及其制备方法和机器人，所述光致动器件包括柔性薄膜，所述柔性薄膜由多个条带部交叉形成，所述柔性薄膜包括层叠设置的柔性衬底以及MXene‑纳米纤维复合膜，所述条带部的端部向所述柔性衬底背离所述MXene‑纳米纤维复合膜表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。本发明的光致动器件具有优异的光致动性能且可以实现多方向致动。
Description
技术领域
本发明涉及光致动技术领域，特别是涉及一种光致动器件及其制备方法和机器人。
背景技术
MXene材料由于其出色的光热转换能力，被广泛应用于光驱动致动器结构中。在双层光致动器件中，MXene作为被动层，将光能转换成热能，之后热能作用于功能层，使功能层产生热膨胀、热收缩等效应，由于被动层和功能层的热膨胀系数不同，导致被动层与功能层致动不匹配，从而使致动器件实现弯曲致动效果。
对光致动器件的可控操作是实现仿生智能机器人的重要一环，简单的光致动器件结构，如长方形结构，对光致动器件本身的可控操作空间低，致动方向单一，不利于光致动器件的智能化应用。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种具有优异的光致动性能且可以实现多方向致动的光致动器件及其制备方法和机器人。
一种光致动器件，所述光致动器件包括柔性薄膜，所述柔性薄膜由多个条带部交叉形成，所述柔性薄膜包括层叠设置的柔性衬底以及MXene-纳米纤维复合膜，所述条带部的端部向所述柔性衬底背离所述MXene-纳米纤维复合膜表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。
在一实施方式中，所述柔性衬底的厚度为75μm-150μm。
在一实施方式中，所述条带部数量为2-6；
及/或，所述条带部的端部为十字型结构。
及/或，所述条带部的长度为3.5cm-4.5cm。
在一实施方式中，所述柔性衬底选自聚二甲硅氧烷、聚偏二氟乙烯、双向拉伸聚丙烯、低密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
在一实施方式中，所述光致动器件还包括有静电贴以及静电贴承载片，所述静电贴设置于所述条带部的端部与所述条带部的交叉部位中的一者，所述静电贴承载片设置于所述条带部的端部与所述条带部的交叉部位中的另一者，所述条带部的端部通过所述静电贴以及所述静电贴承载片之间的静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。
一种如上述的光致动器件的制备方法，包括如下步骤：
提供MXene，并制成MXene悬浊液，将所述MXene悬浊液与纳米纤维混合，得到MXene-纳米纤维复合材料悬浊液；
提供柔性衬底，将所述MXene-纳米纤维复合材料悬浊液置于柔性衬底的任一表面并干燥形成MXene-纳米纤维复合膜，得到柔性薄膜；
将所述柔性薄膜进行切割，得到多个条带部交叉形成的柔性薄膜；
将所述条带部的端部向所述柔性衬底背离所述MXene-纳米纤维复合膜表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位，得到光致动器件。
在一实施方式中，所述MXene与所述纳米纤维的质量比为1:10-4:10。
在一实施方式中，所述MXene选自Ti3C2Tx；
及/或，所述纳米纤维选自碳纳米纤维、细菌纤维素、丝素蛋白中的至少一种。
在一实施方式中，所述MXene悬浊液的浓度为1.0mg/mL-5.0mg/mL。
一种机器人，包括如上述的光致动器件。
本发明提供的光致动器件中，MXene-纳米纤维复合膜作为被动层，具有优异的光热转换能力以及机械性能，柔性衬底作为功能层，由于被动层与功能层的热膨胀系数不同，在受到光照时被动层与功能层的光热膨胀和光热收缩不匹配，从而使光致动器件产生致动。由于光致动器件具有特定的结构，当光致动产生的应力大于条带部的端部与条带部的交叉部位间的静电作用力时，条带部的端部与条带部的交叉部位分离，使得条带部向相反于弯曲的方向弹射，实现光致动器件致动方向的选择性和可控性。
因此，包括本发明光致动器件的机器人可以实现方向的可控性和选择性。
附图说明
图1为实施例1得到的光致动器件的结构示意图，图中，10、柔性薄膜；101、MXene-纳米纤维复合膜；102、柔性衬底；20、双面胶；30、静电贴；40、静电贴承载片；t201、条带部的长度；t202、条带部的宽度；
图2为实施例1得到的光致动器件中不同方位被近红外光照射实现的方向可控的光致动效果，其中，E为激光器；
图3为悬浊液光学图，其中，a为实施例1与对比例1的悬浊液光学对比图，e为对比例1中Ti3C2Tx的悬浊液光学图，f为实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料的悬浊液光学图，b为实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料的悬浊液光学放大图，c为实施例1与对比例1悬浊液静置24h后的光学对比侧视图，d为实施例1与对比例1悬浊液静置24h后的光学对比俯视图，g为对比例1中Ti3C2Tx悬浊液静置24h后的光学图，h为与实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料悬浊液静置24h后的光学图；
图4为光致动变化示意图以及实施例1-实施例4中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料和对比例1中的Ti3C2Tx材料在不同近红外光照时间下的致动特性图，其中（a）为光致动变化示意图，以水平线为基准，顺时针初始角度为正值，光致动后逆时针角度/>为负值，则光致动的角度变化/>，（b）为实施例1-实施例4中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料和对比例1中的Ti3C2Tx材料在不同近红外光照时间下的致动特性图，其中，p为实施例1中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，n为实施例3中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，m为实施例4中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，r为实施例2中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，i为对比例1中的Ti3C2Tx材料；
图5为实施例1得到的柔性薄膜在不同功率近红外光照射下的温度及致动特性图以及实物效果图，其中A为实施例1得到的柔性薄膜在不同功率近红外光照射下的温度及致动特性图，其中，D为实施例1得到的柔性薄膜的初始状态，C为实施例1得到的柔性薄膜在50mW光照下的致动效果，B为实施例1得到的柔性薄膜关闭光照后的致动效果。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供了一种如图1所示的光致动器件，所述柔性薄膜10由多个条带部交叉形成，所述柔性薄膜10包括层叠设置的柔性衬底102以及MXene-纳米纤维复合膜101，所述条带部的端部向所述柔性衬底背离所述MXene-纳米纤维复合膜101表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。
MXene-纳米纤维复合膜101具有优异的光热转换能力以及机械性能，作为被动层，柔性衬底102作为功能层，一方面，由于被动层与功能层的热膨胀系数不同，在受到光照时被动层与功能层的光热膨胀和光热收缩不匹配，从而使光致动器件产生致动；另一方面，MXene-纳米纤维复合膜101具有吸湿性，当温度升高时，MXene-纳米纤维复合膜101发生脱水，使被动层和功能层的光热膨胀和光热收缩不匹配的现象更加明显，从而有利于光致动器件弯曲致动，提升光致动器件的致动性能。同时，由于光致动器件具有特定的结构，当光致动产生的应力大于条带部的端部与条带部的交叉部位间的静电作用力时，条带部的端部与条带部的交叉部位分离，使得条带部向相反于弯曲的方向弹射，实现光致动器件致动方向的选择性和可控性。
在一实施方式中，所述柔性衬底102选自聚二甲硅氧烷、聚偏二氟乙烯、双向拉伸聚丙烯、低密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
不同厚度的柔性衬底102具有不同的热膨胀系数，为了使光致动器件获得更好的致动效果，在一实施方式中，所述柔性衬底102的厚度为75μm-150μm。
为了更好的使条带部的端部与条带部的交叉部位通过静电吸附方式连接，在一实施方式中，所述光致动器件还包括有静电贴30以及静电贴承载片40，所述静电贴30设置于所述条带部的端部与所述条带部的交叉部位中的一者，所述静电贴承载片40设置于所述条带部的端部与所述条带部的交叉部位中的另一者，所述条带部的端部通过所述静电贴30以及所述静电贴承载片40之间的静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。
在一实施方式中，所述静电贴30选自聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯合成纸膜、聚丙烯膜、聚碳酸酯膜、聚乙烯膜中的至少一种。
在一实施方式中，所述静电贴承载片40选自铜版纸、聚酰亚胺膜、聚氯乙烯膜中的至少一种。
为了更好的将静电贴30以及静电贴承载片40分别设置于条带部的端部以及条带部的交叉部位，在一实施方式中，静电贴30以及静电贴承载片40通过双面胶20分别粘贴于条带部的端部以及条带部的交叉部位。
可以理解的，本发明对双面胶20的形状以及种类不做限定，只需将静电贴30以及静电贴承载片40粘贴于条带部的端部以及条带部的交叉部位即可。在一实施方式中，所述双面胶20选自聚酰亚胺胶带。
光致动器件中条带部的数量可以根据实际需求进行选择，在一实施方式中，条带部的数量为2-6，当所述条带部数量为4时，所述光致动器件为十字型结构。
在一实施方式中，所述条带部的端部为十字型结构，十字型结构在收到光照时会产生弯曲，从而使得条带部受到更大的应力，更有利于条带部向相反于弯曲的方向弹射致动。
为了更有利于条带部产生致动，在一实施方式中，所述条带部的长度t201为3.5cm-4.5cm，条带部的宽度t202可以根据不同需求进行选择，本发明对此不作限制。
本发明还提供了一种如上述的光致动器件的制备方法，包括如下步骤：
S1，提供MXene，并制成MXene悬浊液，将所述MXene悬浊液与纳米纤维混合，得到MXene-纳米纤维复合材料悬浊液；
S2，提供柔性衬底102，将所述MXene-纳米纤维复合材料悬浊液置于柔性衬底102的任一表面并干燥形成MXene-纳米纤维复合膜101，得到柔性薄膜10；
S3，将所述柔性薄膜10进行切割，得到多个条带部交叉形成的柔性薄膜10；
S4，将所述条带部的端部向所述柔性衬底102背离所述MXene-纳米纤维复合膜101表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位，得到光致动器件。
步骤S1中，纳米纤维具有极强的机械性能，且表面存在大量的羟基能够与MXene进行键合，通过将MXene与纳米纤维复合，可以显著提升MXene的机械性能。此外，纳米纤维还具有吸湿性，当形成的MXene-纳米纤维复合膜101的温度升高时，MXene-纳米纤维复合膜101脱水，从而更有利于光致动器件弯曲致动，进而提升光致动器件的致动性能。
在一实施方式中，所述纳米纤维选自碳纳米纤维、细菌纤维素、丝素蛋白中至少的一种。
本发明对MXene的选择不作限制，相比于其他MXene，Ti3C2Tx具有更优异的光热转换能力，从而使光致动器件具有更优异的弯曲致动效果。因此，MXene优选为Ti3C2Tx，其中，Tx指-OH、-O、-F等官能团。
当本发明的MXene选自Ti3C2Tx时，其制备方法如下：将LiF和HCl混合，得到混合溶液；向所述混合溶液中加入Ti3AlC2，并进行反应；对反应得到的反应物进行洗涤，得到多层Ti3C2Tx沉淀，将沉淀进行超声分层，之后离心取上层悬浊液，干燥后得到Ti3C2Tx。
在一实施方式中，所述MXene与所述纳米纤维的质量比为1:10-4:10，不同的质量比使得MXene-纳米纤维复合材料的热膨胀系数不同，从而可以实现不同的致动效果。
步骤S2中，柔性衬底102可以选择市售的柔性衬底102，也可以通过制备得到，以柔性衬底102选自聚二甲硅氧烷为例，柔性衬底102的制备方法如下：将聚二甲硅氧烷、溶剂以及固化剂搅拌均匀，得到混合溶液，将得到的混合溶液滴在玻璃基底上，以1000rmp-1500rmp的速度旋涂10s-15s，之后在75℃-80℃下固化2h-3h，剥离得到柔性衬底102，其中，所述聚二甲硅氧烷与所述固化剂的质量比为10:1-10:1.5。
为了使形成的MXene-纳米纤维复合膜101更均匀，在一实施方式中，所述MXene悬浊液的浓度为1.0mg/mL-5.0mg/mL。
步骤S3中，根据需要的条带部数量以及需要的条带部致动方向，将柔性薄膜10切割得到多个条带部交叉形成的结构，如十字型结构、米字型结构等。切割方式优选为激光切割。
可以理解的，柔性薄膜10可以为对称结构，也可以为不对称结构，具体根据实际需求进行选择。
步骤S4中，通过将条带部弯曲后并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位，从而形成具有特定结构的光致动器件，可以理解的，条带部的端部可以通过所述静电贴30以及所述静电贴承载片40之间的静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。
当光源照射在弯曲条带部表面的MXene-纳米纤维复合膜101上时，MXene-纳米纤维复合膜101将光能转化为热能，并传递作用在柔性衬底102上，由于MXene-纳米纤维复合膜101与柔性衬底102的热膨胀系数不同，从而使条带部产生弯曲致动，并通过不同数量、不同方位的条带部以及光照位置实现光致动器件的方向可控。
本发明还提供了一种机器人，包括如上述的光致动器件。机器人可以为仿生机器人、仿生植物、物体抓取机器人等，可以实现机器人方向的可控性和选择性。
以下，将通过以下具体实施例对所述光致动器件及其制备方法和机器人做进一步的说明。
实施例1
将1.6g的LiF加入到20mL的盐酸中搅拌10min，得到刻蚀液，将1g的Ti3AlC2加入到上述刻蚀液中，在40℃下搅拌24h，得到黑色溶液。将黑色溶液用去离子水洗涤多次，直至上清液的pH＞6，得到多层Ti3C2Tx沉淀，将得到的多层Ti3C2Tx沉淀在冰浴中超声处理1h，再以3500rmp的转速离心1h，得到Ti3C2Tx。
将1.5g聚二甲基硅氧烷溶液与0.15g硅烷混合并搅拌均匀得到混合溶液，将玻璃基底用表面活性剂烷基苯磺酸钠浸泡并干燥，将混合溶液置于干燥后的玻璃基底上，先以1000rmp的转速旋涂15s，之后在75℃下固化2h，将玻璃基底剥离后得到厚度为100μm的柔性衬底。
将18mL浓度为1.0g/mL的Ti3C2Tx悬浊液与90mg碳纳米纤维混合，25℃下搅拌30min，得到Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料悬浊液。
将上述Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料悬浊液滴加在柔性衬底的任一表面，在45℃下干燥5h形成Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合膜，得到柔性薄膜，将柔性薄膜进行激光切割，得到4个条带部交叉的十字型结构的柔性薄膜，其中条带部的宽度为2.7mm，条带部的长度为3.5cm。
在柔性薄膜远离Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合膜的表面粘贴聚酰亚胺胶带，之后在条带部的端部的聚酰亚胺胶带表面粘贴聚氯乙烯膜，在条带部的交叉部位的聚酰亚胺胶表面粘贴铜版纸，将条带部的端部向柔性衬底远离MXene-纳米纤维复合膜表面的方向弯曲，使聚氯乙烯膜与铜版纸通过静电吸附方式连接，得到光致动器件。
本实施例得到的光致动器件中不同方位被近红外光照射实现的方向可控的光致动效果如图2所示，由激光器E发出的近红外光照射其中任一条带部的表面时，光致动产生的应力大于静电贴与静电贴承载片之间的静电作用力，从而使静电贴与静电贴承载片分开，使照射方位的条带部弹开，实现致动方向的可控。
实施例2
实施例2参照实施例1进行，不同之处在于，将Ti3C2Tx悬浊液与180mg碳纳米纤维混合。
实施例3
实施例3参照实施例1进行，不同之处在于，将Ti3C2Tx悬浊液与60mg碳纳米纤维混合。
实施例4
实施例4参照实施例1进行，不同之处在于，将Ti3C2Tx悬浊液与45mg碳纳米纤维混合。
实施例5
实施例5参照实施例1进行，不同之处在于，将柔性薄膜进行激光切割，得到6个条带部交叉的米字型结构的柔性薄膜。
对比例1
Ti3C2Tx和柔性衬底的制备方法参照实施例1进行。
将18mL浓度为1.0g/mL的Ti3C2Tx悬浊液滴加在柔性衬底的任一表面，在45℃下干燥5h形成Ti3C2Tx膜，得到柔性薄膜，将柔性薄膜进行激光切割，得到4个条带部交叉的十字型结构的柔性薄膜。
在柔性薄膜远离Ti3C2Tx膜的表面粘贴聚酰亚胺胶带，之后在条带部的端部的聚酰亚胺胶带表面粘贴聚氯乙烯膜，在条带部的交叉部位的聚酰亚胺胶表面粘贴铜版纸，将条带部的端部向柔性衬底远离MXene-纳米纤维复合膜表面的方向弯曲，使聚氯乙烯膜与铜版纸通过静电吸附方式连接，得到光致动器件。
对比例1中Ti3C2Tx悬浊液与实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料悬浊液的光学图如图3所示，其中，a为实施例1与对比例1的悬浊液光学对比图，e为对比例1中Ti3C2Tx的悬浊液光学图，f为实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料的悬浊液光学图，b为实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料的悬浊液光学放大图，c为实施例1与对比例1悬浊液静置24h后的光学对比侧视图，d为实施例1与对比例1悬浊液静置24h后的光学对比俯视图，g为对比例1中Ti3C2Tx悬浊液静置24h后的光学图，h为与实施例1中Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料悬浊液静置24h后的光学图，可以看出Ti3C2Tx与Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料均能较好的分散在水中，且放置24h后依然具有良好的分散性。然而由于碳纳米纤维表面具有较多的羟基，因此Ti3C2Tx与碳纳米纤维会形成化学键，从而形成团聚。
测试例
将实施例1-实施例4以及对比例1得到的柔性薄膜进行致动性能试验，具体实验过程如下：
将实施例1-实施例4以及对比例1得到的柔性薄膜进行激光切割，得到2mm×15mm的长方形柔性薄膜，采用808nm的近红外激光光源照射得到的长方形柔性薄膜的任一位置，测试长方形柔性薄膜在不同照射时间下的形变程度，记录长方形柔性薄膜弯曲角度随红外光照射时间的变化曲线，结果如图4所示，图4中（a）为光致动变化示意图，以水平线为基准，顺时针初始角度为正值，光致动后逆时针角度/>为负值，则光致动的角度变化/>，（b）为实施例1-实施例4中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料和对比例1中的Ti3C2Tx材料在不同近红外光照时间下的致动特性图，其中，p为实施例1中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，n为实施例3中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，m为实施例4中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，r为实施例2中的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料，i为对比例1中的Ti3C2Tx材料。光致动器件在光照时间增长时，由于Ti3C2Tx表面光热效应增强，表面温度增高，从而使Ti3C2Tx与碳纳米纤维在光热作用下脱水收缩以及柔性衬底在光热作用下热膨胀，导致致动效果的增强，弯曲角度增大，直到达到阈值。且当Ti3C2Tx与碳纳米纤维的质量比为2:10时，得到的柔性薄膜的致动性最好，最大角度变化大于90°。
采用808nm的近红外激光光源照射实施例1得到的长方形柔性薄膜的任一位置，测试长方形柔性薄膜在不同近红外光照功率下的致动性能以及光热转换下对应的温度变化，结果如图5所示，图5中A为实施例1得到的柔性薄膜在不同功率近红外光照射下的温度及致动特性图，其中，D为实施例1得到的柔性薄膜的初始状态，C为实施例1得到的柔性薄膜在50mW光照下的致动效果，B为实施例1得到的柔性薄膜关闭光照后的致动效果。在50mW的近红外光功率下，柔性薄膜的弯曲角度变化为45°，对应的Ti3C2Tx-碳纳米纤维复合材料表面温度为62℃，且关闭光照时可以恢复到原始角度。表明实施例1得到的柔性薄膜可以在较低的光照功率下具有较高的致动性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光致动器件，其特征在于，所述光致动器件包括柔性薄膜，将柔性薄膜进行切割，得到多个条带部交叉形成的柔性薄膜，所述柔性薄膜包括层叠设置的柔性衬底以及MXene-纳米纤维复合膜，所述条带部的端部向所述柔性衬底背离所述MXene-纳米纤维复合膜表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位，所述条带部的端部为十字型结构，通过不同数量、不同方位的条带部以及光照位置实现光致动器件的方向可控。
2.根据权利要求1所述的光致动器件，其特征在于，所述柔性衬底的厚度为75μm-150μm。
3.根据权利要求1所述的光致动器件，其特征在于，所述条带部数量为2-6；
及/或，所述条带部的长度为3.5cm-4.5cm。
4.根据权利要求1所述的光致动器件，其特征在于，所述柔性衬底选自聚二甲硅氧烷、聚偏二氟乙烯、双向拉伸聚丙烯、低密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的光致动器件，其特征在于，所述光致动器件还包括有静电贴以及静电贴承载片，所述静电贴设置于所述条带部的端部与所述条带部的交叉部位中的一者，所述静电贴承载片设置于所述条带部的端部与所述条带部的交叉部位中的另一者，所述条带部的端部通过所述静电贴以及所述静电贴承载片之间的静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位。
6.一种如权利要求1至权利要求5任一项所述的光致动器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供MXene，并制成MXene悬浊液，将所述MXene悬浊液与纳米纤维混合，得到MXene-纳米纤维复合材料悬浊液；
提供柔性衬底，将所述MXene-纳米纤维复合材料悬浊液置于柔性衬底的任一表面并干燥形成MXene-纳米纤维复合膜，得到柔性薄膜；
将所述柔性薄膜进行切割，得到多个条带部交叉形成的柔性薄膜；
将所述条带部的端部向所述柔性衬底背离所述MXene-纳米纤维复合膜表面的方向弯曲并通过静电吸附方式连接于所述条带部的交叉部位，得到光致动器件，通过不同数量、不同方位的条带部以及光照位置实现光致动器件的方向可控。
7.根据权利要求6所述的光致动器件的制备方法，其特征在于，所述MXene与所述纳米纤维的质量比为1:10-4:10。
8.根据权利要求6所述的光致动器件的制备方法，其特征在于，所述MXene选自Ti3C2Tx；
及/或，所述纳米纤维选自碳纳米纤维、细菌纤维素、丝素蛋白中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的光致动器件的制备方法，其特征在于，所述MXene悬浊液的浓度为1.0mg/mL-5.0mg/mL。
10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至权利要求5任一项所述的光致动器件。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105336841A (zh) * | 2014-07-23 | 2016-02-17 | 清华大学 | 电热致动器 |
| CN107001051A (zh) * | 2014-09-25 | 2017-08-01 | 德雷塞尔大学 | 表现出新的电学和光学特性的MXene材料的物理形式 |
| CN107128922A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-09-05 | 陕西科技大学 | 一种碳化钛柔性纸及其制备方法 |
| CN107201996A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-09-26 | 中国科学技术大学 | 光致动复合薄膜的制备方法、光致动复合薄膜及光致动器 |
| CN110808266A (zh) * | 2019-10-15 | 2020-02-18 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 具有透明电极的显示基板及其制备方法 |
| CN111224579A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-06-02 | 常州大学 | 一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器 |
| CN111396273A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-07-10 | 武汉工程大学 | 一种光热刺激智能响应致动器薄膜、制备方法及其应用 |
| CN112853758A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-05-28 | 广东工业大学 | 一种快速光热响应的形状记忆驱动器及其制备方法和用途 |
| CN113248757A (zh) * | 2021-06-18 | 2021-08-13 | 福建工程学院 | 一种可自修复材料、驱动材料及其制备方法 |
| CN114856949A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-05 | 武汉理工大学 | 一种刺激响应致动器及其制备方法和应用 |
| CN116221048A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-06-06 | 合肥工业大学 | 可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105336846B (zh) * | 2014-07-23 | 2018-11-09 | 清华大学 | 电热致动复合材料及电热致动器 |
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Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105336841A (zh) * | 2014-07-23 | 2016-02-17 | 清华大学 | 电热致动器 |
| CN107001051A (zh) * | 2014-09-25 | 2017-08-01 | 德雷塞尔大学 | 表现出新的电学和光学特性的MXene材料的物理形式 |
| CN107128922A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-09-05 | 陕西科技大学 | 一种碳化钛柔性纸及其制备方法 |
| CN107201996A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-09-26 | 中国科学技术大学 | 光致动复合薄膜的制备方法、光致动复合薄膜及光致动器 |
| CN110808266A (zh) * | 2019-10-15 | 2020-02-18 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 具有透明电极的显示基板及其制备方法 |
| CN111224579A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-06-02 | 常州大学 | 一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器 |
| CN111396273A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-07-10 | 武汉工程大学 | 一种光热刺激智能响应致动器薄膜、制备方法及其应用 |
| CN112853758A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-05-28 | 广东工业大学 | 一种快速光热响应的形状记忆驱动器及其制备方法和用途 |
| CN113248757A (zh) * | 2021-06-18 | 2021-08-13 | 福建工程学院 | 一种可自修复材料、驱动材料及其制备方法 |
| CN114856949A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-05 | 武汉理工大学 | 一种刺激响应致动器及其制备方法和应用 |
| CN116221048A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-06-06 | 合肥工业大学 | 可再编程柔性致动器及其制备和驱动方法 |
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