在光合作用過程中，具有精細結構和功能組件的天然葉子可以收獲太陽能并將其轉化為轉化為能量的化學燃料。生物能源生產為材料科學家提供了一種新的生物啟發(fā)范例，可以產生許多自主系統(tǒng)，包括光觸發(fā)運動。在最近的一份報告中，Guofo Cai及其材料科學與工程，航天科學與力學，化學工程系的同事們開發(fā)了一種基于MXene(Ti 3 C 2 T x) - 纖維素復合材料(MXCC)的前所未有的雙層致動器。)和聚碳酸酯(PC)膜。

該設備模仿了葉子的復雜結構，并顯示了與光合作用類似的能量收集和轉換能力。雙層致動器包含非常理想的特征，包括：多響應，低功率驅動，快速驅動速度，大型變形，穩(wěn)定性和可編程適應性 - 非常適合現(xiàn)代軟驅動器智能系統(tǒng)。蔡等人。相信這些自適應軟系統(tǒng)將成為革命性技術，構建軟機器人，智能開關，信息加密，紅外動態(tài)顯示，偽裝和溫度調節(jié)。他們設想了該技術的其他用途，以開發(fā)人體機器接口，如觸覺。該研究現(xiàn)已發(fā)表于科學進步。

材料科學家研究了材料和器件，這些材料和器件可動態(tài)改變形狀，尺寸和電氣/ 機械性能，以響應外部刺激，適用于各種應用。這些裝置具有作為致動器，人造肌肉，機器人，能量發(fā)生器，傳感器和智能窗簾等重要功能?？茖W家們致力于開發(fā)基于各種活性材料的智能執(zhí)行器，如碳納米管和石墨烯，形狀記憶聚合物，凝膠，共軛聚合物和液晶彈性體以及陶瓷和合金。

左圖：由NIR光引起的MXCC / PC雙層結構致動器的機械性能和運動。(A)當NIR光照明打開和關閉(50mW cm-2)時，在一個致動循環(huán)期間MXCC和基于纖維素的致動器的典型靜態(tài)力和應變變化。(B)MXCC和基于纖維素的致動器的靜態(tài)力和應變作為五個連續(xù)NIR燈開啟和關閉循環(huán)的時間的函數(shù)的曲線圖，表明可逆，穩(wěn)定和快速致動過程。(C)基于MXCC的致動器在不同NIR照射強度(5至200mW cm-2)下的靜態(tài)力變化。(D)基于MXCC的致動器在不同NIR照射強度(5至200mW cm-2)下的彎曲角度。右：在不同的NIR照明強度和機械建模下的結構變化。(A)基于MXCC和MXene的致動器在不同NIR光照射強度下的XRD圖案(實線，基于MXCC的致動器;虛線，基于MXene的致動器)。(B)在不同的NIR光照射強度下，基于MXCC和MXene的致動器的相應d間距。(C)基于MXCC的致動器的模擬和實驗結果。(D)在NIR光照射下基于MXCC的致動器的模穩(wěn)定性限制了它們的能力，目前很難提高致動速度和放大形狀變化。因此非常需要構建智能致動器，其響應于諸如濕度，電力，熱量或光的各種刺激，具有快速致動，大形狀變形，可編程適應性和穩(wěn)健穩(wěn)定性。為了建立新的和改進的材料特性，材料科學家因此，必須探索先前未識別的組合材料并合理地設計裝置配置以發(fā)明高性能致動器。

本工作中使用的MXene(Ti 3 C 2 T x)屬于新型液晶二維(2-D)金屬碳化物，具有優(yōu)異的導電性，導熱性和光熱轉換性，形成多響應且可能高性能執(zhí)行器。目前僅存在使用MXene作為電化學致動器的單個實例。因此，在目前的工作中，蔡等人。旨在將MXene用作多響應軟驅動器，探索葉片風格，精致的架構，實現(xiàn)簡單的驅動，并配合協(xié)同功能組件。

受到天然葉片的生物結構和光合機制的啟發(fā)，Cai等人。設計了一種不對稱的雙層軟驅動器，采用單晶二維MXene納米片來收集電能或光能轉化為熱能。為此，他們使用生物相容的纖維素納米纖維形成靜脈骨架，與聚碳酸酯(PC)過濾膜一起形成快速的葉狀形狀，形成氣孔和表皮，用于水插入和從MXene-纖維素復合材料(MXCC)中提取。科學家證實，由于使用傅里葉變換紅外(FTIR)光譜存在纖維素，MXCC中水的吸收增加。使用選區(qū)電子衍射 (SAED)圖案，他們檢測到MXene的存在是六方結構和單結晶度，沒有納米尺度的缺陷。

軟質執(zhí)行器在相對濕度的環(huán)境條件下保持平坦且無皺的形狀，同時響應于環(huán)境中的增加/減少的濕度而彎曲，Cai等人。定量分析。他們注意到在各種濕度水平下都具有出色的執(zhí)行器性能和可控的彎曲角度。接下來，科學家通過將MXene纖維素條帶連接到兩根銅線來研究設備的電氣驅動。隨著電功率的增加，彎曲角度幾乎線性地減小，而軟驅動器僅需要低電壓來實現(xiàn)極端致動。與基于濕度的驅動相比，科學家們通過電熱驅動實現(xiàn)了更大的彎曲角度。

科學家還使用近紅外(NIR)光照射記錄了軟致動器的溫度變化和結合角度。他們觀察到MXene /纖維素復合材料的顯著的協(xié)同致動運動，與各個部件的不良致動性能相反?；谟^察到的光吸收，光熱轉換和電化學驅動，Cai等人預期這些復合智能軟驅動器在光響應功能中的使用。

蔡等人。進一步研究了在機械分析儀上NIR光照射下材料的光致機械力。MXCC / PC的驅動過程快速且可逆。科學家使用X射線衍射(XRD)測量研究了不同強度照射下MXCC / PC和MXene / PC致動器的結構變化，以顯示纖維素和PC膜的無定形特征。他們使用有限元建模方法(FEM)研究了機械性能，以進一步了解復合材料的驅動過程。建模結果與研究中的實驗結果一致。

為了展示可編程的驅動行為，科學家們開發(fā)了一系列復雜的配置。包括雙折疊U形致動器，三葉形拱形致動器和自花花，花瓣在NIR照射前打開和開花，在暴露于NIR時快速關閉。此外，科學家還探索了各種智能設備，如蠕蟲式機器人，智能開關，加密設備以及紅外動態(tài)顯示和偽裝，以擴展主要概念。此外，蔡等人。通過在PC膜上圖案化十字形MXCC來構建智能開關，它們使用無線NIR燈進行控制。基于這些原理，科學家們還組建了一個開放式電路，使用NIR燈打開/關閉智能手表。

對于數(shù)據加密，基于可編程的MXene-纖維素油墨，Cai等人。設計了所需的圖案，并通過使用近紅外光或電的局部加熱來傳達信息。該信息僅可使用IR讀取并且對人眼不可見，從而提供除機器可讀條形碼和QR碼之外的更適合的信息加密。將多種功能集成到一個系統(tǒng)中以實現(xiàn)偽裝，顯示和驅動的能力在多個學科中是重要且有用的。這些設備證實了使用MXCC / PC膜在智能軟系統(tǒng)中提供多種功能的可能性，包括信息加密，偽裝和熱響應行為。

本研究中引入的新型復合材料，合理設計和低成本制造，以及科學家實施的合成策略，將使MXCC / PC膜系統(tǒng)可用于廣泛的科學和工程領域。通過這種方式，國發(fā)蔡和同事開發(fā)并建立了一種新型的多響應材料和裝置，其多功能生物結構的靈感來源于前所未有的多種特性。

MXCC / PC膜系統(tǒng)模擬了從微觀結構到光合能力的天然葉子的關鍵特征，包括能量收集和轉換。雙層執(zhí)行器顯示出強大的功能，類似于最先進的多響應執(zhí)行器。探索的材料和先進的系統(tǒng)可以進一步發(fā)展，為軟機器人，信息加密和紅外動態(tài)顯示領域的革命性技術創(chuàng)造新的可能性。