眾所周知，生物的各種運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)關(guān)節(jié)周圍的肌肉不斷發(fā)生收縮以及舒展的過(guò)程。在仿生機(jī)器人以及運(yùn)動(dòng)輔助儀器的設(shè)計(jì)中，模仿肌肉作用的驅(qū)動(dòng)部位是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。目前，驅(qū)動(dòng)器方面的研究集中于對(duì)驅(qū)動(dòng)方法（如電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)）或是環(huán)境刺激（如光、濕度、磁場(chǎng)）的控制，然而特定的驅(qū)動(dòng)器件往往只能實(shí)現(xiàn)單一的變形。人們需要集成眾多驅(qū)動(dòng)器、配件，并進(jìn)行精確的安裝組建，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，在這一過(guò)程中就會(huì)面臨眾多挑戰(zhàn)：如制作工藝的復(fù)雜性、設(shè)計(jì)原理的可行性，成本等問(wèn)題。于此同時(shí)，目前的仿生機(jī)器人多采用電驅(qū)動(dòng)方式，需要集成能源部件，或者外接能源供給裝置，使得系統(tǒng)在小型化方面受到制約。

光操控微型石墨烯蜘蛛爬行運(yùn)動(dòng)

近期，吉林大學(xué)張永來(lái)教授、清華大學(xué)孫洪波教授與新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授共同探索，為了解決這些難題，他們利用石墨烯與金納米棒復(fù)合材料制備了光敏感的仿肌肉驅(qū)動(dòng)器件（holistic artificial muscle， HAM，如圖1），運(yùn)用巧妙的設(shè)計(jì)方法，在光驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器人方面取得了突破性的進(jìn)展。無(wú)須集成組裝過(guò)程，就實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的肢體動(dòng)作和多足運(yùn)動(dòng)。

圖1：等離子體輔助石墨烯氧化物人工肌肉設(shè)計(jì)原理

這種快速有效的光控局部彎曲過(guò)程的物理機(jī)制介紹如下：石墨烯材料具有良好的導(dǎo)熱性和機(jī)械性能，相比之下，石墨烯氧化物材料由于原子蜂窩狀排布被破壞，導(dǎo)熱性能大大降低。利用激光還原石墨烯氧化物的方法，可以對(duì)材料導(dǎo)熱性能進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)“關(guān)節(jié)”部位導(dǎo)熱性能改變。石墨烯、石墨烯氧化物材料都具有一定的負(fù)熱膨脹系數(shù)，將其與具有較大熱膨脹系數(shù)的PMMA材料結(jié)合，就可在光熱條件下產(chǎn)生單一的圓弧狀彎曲。利用激光局部還原石墨烯氧化物材料，改性區(qū)域的彎曲程度大大提高，響應(yīng)時(shí)間加快，便可形成類似肌肉牽拉作用的關(guān)節(jié)彎曲效果。作者還加入了金納米棒這一重要材料，利用其表面等離子體的作用，提升材料整體的光熱轉(zhuǎn)化效率，從而加速促進(jìn)膨脹材料的形變。此外，金納米棒材料獨(dú)特的波長(zhǎng)選擇特性，為光驅(qū)動(dòng)方法提供了除光強(qiáng)、時(shí)間外另一維度的調(diào)控方法，既波長(zhǎng)調(diào)控。將摻入金納米棒不同吸收波長(zhǎng)的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可實(shí)現(xiàn)不同“關(guān)節(jié)”部位的選擇性彎曲（圖2）。

圖2 波長(zhǎng)選擇性調(diào)控

作者利用這一原理，制作了并展示了微型仿生蜘蛛的爬行過(guò)程、仿生捕蠅草捕獲過(guò)程，和仿生手各關(guān)節(jié)的逐一控制彎曲。充分體現(xiàn)了HAM設(shè)計(jì)的靈活性，降低了爬行機(jī)器人制作成本，并可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制備。這一工作將對(duì)微型仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供巧妙設(shè)計(jì)理念，從而起到重要推動(dòng)作用。

這一研究成果以 “Plasmonic-Assisted Graphene Oxide Artificial Muscles” 為題，近期發(fā)表在Advanced Material雜志上（DOI：10.1002/adma.201806386），并作為封面文章。吉林大學(xué)博士研究生韓冰為第一作者， 吉林大學(xué)張永來(lái)教授、新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授和清華大學(xué)孫洪波教授共同指導(dǎo)完成。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿