石墨烯具有極其出色的力學(xué)性能，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。例如，石墨烯在拉伸載荷下，理論模量和理論強度分別可達1 TPa和130 GPa。然而，它在壓縮載荷下的力學(xué)性能卻鮮有提及和關(guān)注。這也許是因為人們都默認(rèn)它和大多數(shù)材料一樣，在拉-壓載荷下的力學(xué)性能是對稱的吧。事實真的是這樣嗎？
近日，香港理工大學(xué)姚海民課題組和中科院寧波材料所陳濤課題組合作，發(fā)現(xiàn)了石墨烯堆疊聚集體(stacked graphene assembly ,簡稱SGA)在拉伸和壓縮時的力學(xué)性能并不對稱。他們進而巧妙地利用了該特殊的力學(xué)行為，實現(xiàn)了形貌可編輯的無系繩軟體機器人。相關(guān)工作以“Asymmetric elastoplasticity of stacked graphene assembly actualizes programmable untethered soft robotics”為題，發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》。陳濤課題組的王帥博士和姚海民課題組的博士生高陽同學(xué)和危安然同學(xué)為論文共同第一作者，姚海民教授和陳濤研究員、肖鵬副研究員為論文的共同通訊作者。
該研究首先利用Langmuir-Blodgett技術(shù)將多層石墨烯片層轉(zhuǎn)移到了聚乙烯（簡稱PE）膜表面，從而組裝制備了SGA/PE雙層膜結(jié)構(gòu)。由于石墨烯具有遠小于PE的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度升高時，由于熱應(yīng)變錯配，SGA/PE雙層膜就會朝著SGA層的方向迅速發(fā)生卷曲，儼然就是一個熱致傳感器或驅(qū)動器（見圖1a,d）；更有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將SGA/PE雙層膜在受限空間下進行先升溫后降溫的“回火”預(yù)處理后，回到室溫下的SGA/PE雙層膜在解除外部約束后即呈現(xiàn)卷曲形態(tài)。但卷曲方向與原來相反（即SGA將PE層包裹在內(nèi)），且卷曲程度可以由回火溫度控制（見圖1b,c）。卷曲的SGA/PE膜也同樣具有熱致變形的能力。如果再次受熱，則能夠變形恢復(fù)到展平的狀態(tài)甚至反卷（見圖1e）。
圖1. SGA/PE雙層膜的熱致變形行為示意圖。(a-c) 受限“回火”預(yù)處理過程；?(d, e) SGA/PE在“回火”預(yù)處理前后的熱致變形行為對比?！盎鼗稹鳖A(yù)處理后，原本平直的SGA/PE驅(qū)動器將在室溫下發(fā)生卷曲，且卷曲方向與未經(jīng)“回火”預(yù)處理的相反?！盎鼗稹鳖A(yù)處理后的SGA/PE，再次升高溫度后能夠變形展平甚至反卷。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，此特殊形變方式是由SGA在拉伸和壓縮時呈現(xiàn)的非對稱力學(xué)行為造成的（見圖2a）。分子動力學(xué)模擬顯示，SGA在拉伸時由于內(nèi)部各石墨烯片層之間不可逆的相對滑動而表現(xiàn)出宏觀的塑性（即形變不可恢復(fù)）（見圖2b）。相反，在壓縮時，SGA由于可逆的屈曲褶皺變形表現(xiàn)出宏觀的高彈性（即形變可恢復(fù)）。正是由于這一特性，受限條件下的“回火”預(yù)處理過程使SGA/PE雙層膜的內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，從而使其釋放后發(fā)生相反方向的卷曲變形。根據(jù)此拉-壓非對稱的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，研究人員建立了有限元力學(xué)模型，準(zhǔn)確地數(shù)值再現(xiàn)了SGA/PE的熱致形變行為。
圖2. (a)?分子動力學(xué)模擬計算得到的SGA在拉-壓載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非對稱的彈塑性。(b) SGA在拉伸和壓縮時的變形機制：拉伸時石墨烯片層間不可逆的滑移造成了塑性；而壓縮時可逆的屈曲皺褶變形造成了彈性。(c) “回火”預(yù)處理后SGA/PE彎曲曲率與回火溫度、SGA厚度的依賴關(guān)系。
接下來，研究人員將SGA/PE的變形能力進行了更深入的挖掘。他們利用非連續(xù)的SGA排布以及局部“回火”預(yù)處理等方法，編輯出了形貌各異的柔性熱致驅(qū)動器（見圖3）。
圖3. “回火”處理后SGA/PE可實現(xiàn)多種復(fù)雜形貌。
同時，他們還將這些不同形貌的SGA/PE驅(qū)動器作為零部件進行組裝，開發(fā)出了更加復(fù)雜的柔性驅(qū)動器，例如仿生含羞草（視頻1）、仿生睡蓮（視頻2）、仰臥起坐機器人（視頻3）等。進一步，研究者還發(fā)現(xiàn)，“回火”預(yù)處理過的SGA/PE卷筒，在水平紅外光的照射下能實現(xiàn)定向及轉(zhuǎn)向運動，并具備一定的爬坡與越障能力。更復(fù)雜的功能，如貨物裝載、運輸、卸載等，均可通過控制紅外光的照射角度實現(xiàn)（視頻4）。
小結(jié)：
此研究工作利用了SGA在拉-壓條件下的非對稱力學(xué)性能，實現(xiàn)了軟體機器人形貌的可定制化。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)形狀復(fù)雜的驅(qū)動器開辟了道路。更重要的是，由此方法開發(fā)得到的SGA/PE柔性機器人能夠?qū)崿F(xiàn)光/熱控的無系繩運動。本工作不僅為無系繩軟體機器人、可重構(gòu)系統(tǒng)提供了一種新的實現(xiàn)策略，而且為低維材料在柔性智能材器件上的應(yīng)用提供了新的思路,是力學(xué)作為傳統(tǒng)工程學(xué)科助力新工科發(fā)展的一次成功實踐。
