关键词：
柔性执行器
执行器控制
激光加工
MXene
摘要：
柔性执行器是一类基于智能材料的刺激响应执行器,它可以通过周围环境信号的刺激,将各类能量（声波、光、热、电、化学场、湿度、磁）转化为自身的形变、位移等机械变化,进而实现预定的执行功能。柔性刺激响应执行器在医疗、传感、军事、灾后搜救、人机交互系统等领域有着巨大的应用潜力。根据柔性执行器对周围环境变化的响应类型,柔性执行器有诸多驱动方式,如:光场、温度场、电场、化学场、湿度场、磁场等。其中,电热响应执行器具有操作简单、可控性高、形变量大等优点。随着材料科学的发展,各类新型智能材料,如:水凝胶、介电弹性体、石墨烯及其衍生物、MXene、液晶弹性体等,被成功用于电热执行器的研发。其中,新型二维材料MXene（TiCT）凭借着自身的各向异性导电性、较大响应范围、良好的导热性、与水分子吸-脱附速度快以及良好的机械稳定性,成为制备电热执行器的理想材料。然而,常见的MXene电热执行器主要是基于简单的双层结构,利用电热产生的热膨胀差异实现简单形变,却难以集成自身形变反馈机制,给电热执行器精确操控带来了困难,使得执行器在面向智能系统应用仍面临诸多难题亟待解决:（1）如何对执行器的动作实现可交互的精密操控,这依赖于执行器自身的结构设计和先进的传感与反馈机制;（2）如何通过系统设计实现执行器的自主决策与快速响应执行,这关乎执行器的性能和应用场景;（3）如何让执行器更加智能,实现对环境自适应和自主响应。上述难点严重限制了电热执行器在复杂环境及特定场景中的应用。因此,开发新型MXene电热执行器及其先进操控模式的研究对其未来应用至关重要。
针对以上MXene电热执行器存在的挑战和问题,本论文提出利用激光加工制备图案化MXene电热执行器的新思路,并通过多层结构设计赋予了MXene电热执行器多种附加功能,以此为基础制备了:（1）执行传感一体化执行器,并利用闭环的人机交互系统对其进行交互式精密控制;（2）利用系统设计精简MXene电热执行器人机交互系统架构,实现自主决策执行功能同时缩短人机交互MXene电热执行器的控制时间;（3）制备了可变色MXene电热执行器,提高MXene电热执行器的环境自适应能力,同时使用人类语音和自适应的控制模式;（4）制备MXene电-光热控制的执行器,并以此执行器为基础驱动了昆虫机器人,昆虫机器人展现出较高的运动速度和真实环境应用的鲁棒性。
具体研究内容如下:
***电热执行器传感一体化器件的制备及闭环的人机交互控制
通过飞秒激光放大器,对涂覆双面银胶聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride,PVDF）这种具有热膨胀性质的复合薄膜进行处理,再涂覆热收缩的MXene,制备电热响应和同时具有温度和压力感知功能的多层电热执行器,并与结构材料共同组成柔性机械手;同时制备与之适配的离子凝胶作为拉伸传感器,用以识别使用者手指弯曲变化,通过微控制单元（Microcontroller Unit,MCU）处理后,将手指弯曲信号转化为控制柔性机械手运动的电信号,建立人手到柔性机械手的时空映射关系,形成人手到机械手的人机交互界面,与此同时,机械手指可以将自己形变过程转化为电容信号,实时传递MCU,用以调整自身姿态,以对应人手产生的时空映射关系,实现对柔性机械手的闭环控制。柔性机械手除了具有执行功能之外,还可以作为传感器,识别环境中的温度和压力。为了将两种环境变化传递给使用者,使用二氧化碳激光器和光纤激光器辅助制备了聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）气囊和加热丝,共同组成人手感知的反馈器件。通过以上三个器件,由MCU将三者联系在一起,实现了人机交互闭环界面对柔性机械手的闭环控制,最后,将执行器装配到内窥镜,并以此为基础实现了人体喉咙取样和猪肺支气管异物取样,并对人体喉咙取样样品进行甲型/乙型流感病毒抗原检测,为电热执行器的实际应用场景提供了新的思路。
***电热执行器的自主决策控制系统
在工作1的执行器的基础上,为了降低控制过程中所消耗的时间,通过制备快速响应的PDMS@MWCNTS（Multi-walled carbon nanotube,MWCNTS）多孔压力传感器,受到膝跳反射的启发,设计绕过MCU的控制模式,通过调整参比电阻的大小,来控制电热执行器。压力传感器在接受外界压力时,一般是通过MCU进行处理之后将压力信号转化为控制执行器的电信号,本论文通过电路的设计,直接将压力的信号转化为控制电热执行器的电信号,使其能够快速响应,这种控制模式赋予电热执行器自主决策的能力。并且,通过调节参比电阻的大小,进而设计出来防止使用者抖动和用力过大从而产生对电热执行器运动过程产生扰动以及电热执行器所接触目标物的破坏。
3.可变色的MXene电热执行器的语音控制执行及环境自适应
