软体机器人，凭借其在响应环境刺激和执行复杂任务方面的独特优势，在智能工业、精准医学、人-机-环境交互等领域展现出巨大应用潜力。当前，大多数软体机器人依靠外部嵌入式电源和传感模块进行刺激响应和信息获取，牺牲了操作能力和驱动灵活性。熊佳庆研究团队创新性提出，利用驱动变形触发的摩擦电自能量传感技术，实现“驱动同步感知”，为驱动器响应环境刺激、自发变形/运动且同步获取环境信息提供了一种有效途径，有望实现软体机器人微型化、轻量化和智能化。纤维基材料具备从一维到三维的可编织性和结构响应多样性，例如，纤维/纱线D）方向显示快速驱动优势，在人工肌肉、植入式医用机器人等领域有重要潜力。当前，缺乏具有多刺激驱动响应、二维-三维（2D-3D）可重构变形的纤维基驱动器。微纳纤维膜在结构、功能和力学方面具备高设计性，有望实现驱动器对多元环境刺激（湿度、光、热、电、磁场）的协同响应和高效致动，但如何平衡驱动器的快速响应、大形变致动以及同步电学感知是领域的共同挑战。目前，尚未有基于纤维材料，从“结构设计-力学编程-功能协同”三个层面一体化开发全纤维柔性驱动器及主动环境交互式软体机器人的报道。

　　近日，东华大学熊佳庆课题组提出纤维多级微观结构设计、纤维取向/厚度比调控以及自发式驱动-感知无缝集成策略，开发出一种光热协助-湿气主导的高效驱动自能量感知型非对称响应高取向全纤维驱动器（HAFM）。HAFM驱动器由呼吸式MOF增强的湿气响应层（MRL）和MXene强化的光热响应层（TRL）组成。通过调控连续静电纺丝过程中的原位气相溶剂交换效应，设计开发了具有类“葡萄状”纳米球互连组装的微-纳多级结构纤维膜，明显地增强了HAFM驱动器对湿气和光热刺激的不对称驱动变形，展现出稳定的双向变形弯曲能力（变形曲率7.23 cm−1）和快速的红外光变形响应速率（0.60 cm−1 s−1），并实现优异机械性能（拉伸应力5.5 MPa，断裂韧性798 KJ m−3），确保持续可靠的驱动变形；同时，利用功能填料分别优化了驱动器双侧的摩擦电自感知性能。利用纤维取向与厚度比编程设计，作者证实了不一样微型机械手、行走机器人和植物机器人的响应自主操控，环境信息主动感知和人-机-环境交互等应用。相关研究以“Highly-Aligned All-Fiber Actuator with Asymmetric Photothermal-Humidity Response and Autonomous Perceptivity”为题发表在《Advanced Materials》上，论文第一作者为东华大学博士后张雨凡，通讯作者为熊佳庆研究员。该工作得到国家自然科学基金委（52103254, 52273244）、中国博士后基金（2023M730547）等项目的资助。

　　受牵牛花上下叶片细胞间吸水性差异引发其打开-闭合响应行为的启发，论文首先通过静电纺丝精准调控策略制备了具有微-纳多级结构的全纤维非对称双层HAFM驱动器，通过调控界面处半固化纤维互锁成型可实现驱动器界面稳定。该全纤维驱动器在力学性能、光热-湿驱动响应和主动感知能力方面均有优异表现，展示了双模驱动、自能量传感、感知型软体机器人和植物界面机器人等多场景应用（图1）。

　　驱动器的湿度响应层MRL由具有自呼吸效应的MOF（MIL-88A）嵌入聚环氧乙烷（PEO）纳米纤维网络构成，形成微-纳分层多孔结构，通过协同吸湿膨胀-排湿收缩行为放大湿度响应变形。同时，利用高湿环境纺丝（RH = 60±5%）诱导聚偏氟乙烯（PVDF）/MXene纤维同步相分离，形成类“葡萄状”纳米球互连组装的多级微-纳结构纤维膜（热响应层TRL），大幅度的提高纤维层的光-热转换能力和变形响应速率（图2）。高取向纤维层构建的驱动器被证实具有更高的机械强度和韧性，保障了器件的高效稳定驱动变形。

　　HAFM驱动器的非对称变形是由湿气主导、光热协助实现的（图3）。在高湿度下， MRL快速吸湿产生体积膨胀，诱导器件向TRL侧变形弯曲。红外光照下，TRL高效吸热并传导至MRL层，加速MRL层水分逸出并诱导其快速收缩，触发器件快速可逆变形。通过优化纤维多级结构、取向排列、功能填料配比以及双层膜厚比，可实现在光热-湿气刺激下双侧的最佳驱动变形，湿气驱动曲率达到7.23 cm−1，光热驱动曲率达到7.21 cm−1，红外光响应变形速率高达0.60 cm−1 s−1。驱动性能优于当前报道的其他先进膜类驱动器，且在100次连续响应工作后依然保持变形稳定性。

　　基于应力主要沿纤维轴方向传递的原理，纤维膜在其取向垂直方向易产生更大变形。因此，对于高度取向纤维膜构成的HAFM，定向剪裁调控纤维取向度可实现其机械性能和弯曲/扭转变形行为的可编程设计（图4）。本文中，仅通过切割角度的改变就可以定量改变纤维的排列取向，使得驱动器在x方向和y方向上产生不同的变形分量，从而精确调控其机械性能表现和弯曲/扭转变形行为。例如，利用HAFM纤维取向和厚度比的可编程特性，作者设计开发了多种智能指示器及多种微型机械手，并开发出可具有环境光/湿控制抓取与释放操控行为的“风滚草”仿生机器人（图4j与视频1），其定制化力学-驱动行为，显现出HAFM驱动器在多元场景下的高度适用性。

　　驱动同步感知能力对实现软体机器人变形主动监测和环境信息自主获取等能力有重要意义。作者采用“环境刺激-驱动响应-变形触发式摩擦电效应”的一体化设计策略，证实了一系列双模态HAFM驱动器，并赋予其高灵敏自主感知能力。例如“魔毯”行走机器人（图5，视频2），借助巧妙的结构设计与纤维膜取向/厚比编程，可实现机器人环境光/湿控制行走，及运动状态与基底材料同步感知。

　　此外，作者提出植物机器人概念，即利用柔性电子技术构建“人-机-植物”交互平台，赋予植物除自我生长以外增强的运动和环境感知能力，实现主动式植物环境操控和信息采集。本文的全纤维薄膜感知型驱动器（HAFM）具有柔软透气和生物界面友好性，显示了植物机器人的重要发展趋势之一。作者通过HAFM驱动器赋能植物叶片，展示了高湿度下叶片大幅度向下弯曲，以利于雨水滴落并渗入植物周围土壤，及光热环境中叶子向上弯曲，最大化受光面积，以促进其生长。文中展示了植物机器人长期工作稳定性，及可无损移除性。通过摩擦电感知效应，该植物机器人显示了对环境湿度、光强和昆虫等刺激的主动监测能力和潜力（图5）。这种集成了植物界面驱动和环境同步感知功能的技术策略，为植物机器人提高自主环境适应性和人-机-环境交互能力提供了新的方向，有望为沙漠、战场等极端场景下的信息获取和精准决策提供有效手段。

　　通过设计纤维多级微观结构、调控纤维取向和双层厚度比，本文开发出一种光热-湿双模响应的非对称高取向纤维膜（HAFM），实现光热协助-湿气主导的高性能全纤维驱动器，并展示了HAFM驱动器在软体机器人自主操作、运动感知和信息识别（如材料特征、温湿度、环境接触刺激等）领域的有趣应用。同时，本文创新性提出了基于自感知纤维膜驱动器的植物机器人，证实了通过人-机-植物界面交互，进行环境响应操纵与自主信息收集的潜能。这项工作可为先进纤维材料的开发提供策略参考，并为多功能电子皮肤、交互式软体机器人和生物界面机器人等领域在驱动-感知一体化发展方面提供启发。

　　熊佳庆，博士，国家级青年人才，东华大学纺织科技创新中心研究员（正高三级），纺织学院和材料学院国家“双一流”学科双聘博导。在苏州大学获得博士学位，曾任南洋理工大学博士后、高级博士后研究员。目前主要是做软材料微纳智造、智能纤维/织物、穿戴/电子皮肤、柔性力电工程和软体机器人仿生学领域的研究，累计在Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials等主流学术期刊发表SCI论文70余篇，论文引用5100次，H指数34；获授权国内国际发明专利37项；编写英文书籍1部（Wiley出版）。主持国家级青年人才项目，国家自然科学基金青年、面上项目等。曾主编Electronics等SCI期刊特刊，担任Nature Communications, Advanced Materials, Matter等30多个国际学术期刊的特约审稿人。曾受邀参加第六届金砖国家青年科学家论坛，在MRS, ICMAT, NGPT, NENS, ICEAN等国际学术会议做邀请报告30余次；近年连续入选斯坦福大学年度世界上的排名前2%科学家。

　　张雨凡，东华大学博士后研究员，2021年博士毕业于苏州大学，主要是做柔性电子纤维、穿戴器件/技术、驱动器和软体机器人仿生研究，以第一作者/通讯作者在Advanced Materials, Materials Today, Advanced Science, Advanced Materials Technologies, Applied Surface Science等期刊发表SCI论文10余篇，获授权中国发明专利4项，主持中国博士后科学基金面上项目、江苏省研究生科研与实践创新计划项目，作为研究骨干参与国家自然科学基金面上项目、青年基金项目等，获中国纺织工业联合会科技奖科学技术进步二等奖。

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