石墨烯具有極其出色的力學性能，受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。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性能卻鮮有提及和關注。這也許是因為人們都默認它和大多數(shù)材料一樣，在拉-壓載荷下的力學性能是對稱的吧。事實真的是這樣嗎？
近日，香港理工大學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性能并不對稱。他們進而巧妙地利用了該特殊的力學行為，實現(xiàn)了形貌可編輯的無系繩軟體機器人。相關工作以“Asymmetric elastoplasticity of stacked graphene assembly actualizes programmable untethered soft robotics”為題，發(fā)表于國際頂尖學術期刊《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和危安然同學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雙層膜結構。由于石墨烯具有遠小于PE的熱膨脹系數(shù)，當溫度升高時，由于熱應變錯配，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”預處理過程；?(d, e) SGA/PE在“回火”預處理前后的熱致變形行為對比?！盎鼗稹鳖A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”預處理的相反?！盎鼗稹鳖A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)的非對稱力學行為造成的（見圖2a）。分子動力學模擬顯示，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）（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）。正是由于這一特性，受限條件下的“回火”預處理過程使SGA/PE雙層膜的內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應力，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關系，研究人員建立了有限元力學模型，準確地數(shù)值再現(xiàn)了SGA/PE的熱致形變行為。
圖2. (a)?分子動力學模擬計算得到的SGA在拉-壓載荷下的應力-應變曲線呈現(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”預處理后SGA/PE彎曲曲率與回火溫度、SGA厚度的依賴關系。
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：
此研究工作利用了SGA在拉-壓條件下的非對稱力學性能，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用提供了新的思路,是力學作為傳統(tǒng)工程學科助力新工科發(fā)展的一次成功實踐。
