《Nano Letters》：气溶胶喷射打印 MXene-CNF 软致动器，解锁软机器人新可能

引言

在科技飞速发展的今天，软机器人正从实验室走向实际应用 —— 从医疗领域的微创操作器械，到可穿戴设备的柔性驱动单元，再到微型机器人的精准运动控制，都离不开核心部件 “软致动器” 的突破。传统软致动器要么难以实现微型化制造，要么设计灵活性不足，要么依赖有线供电限制移动能力。而近期发表在《Nano Letters》上的一项研究，用气溶胶喷射打印（AJP）技术打造的 MXene - 纤维素纳米纤维（CNF）复合致动器，一次性解决了规模化、定制化、多刺激响应三大痛点，为下一代软机器人发展铺平了道路。

正文

MXene+CNF

软致动器的核心需求是 “高效能量转换 + 柔性适配”—— 既要能快速将电能、光能转化为机械运动，又要材质柔软、安全，适配复杂场景。研究团队选中的两种核心材料，恰好完美匹配这一需求：

• MXene（过渡金属碳化物）：作为一种二维纳米材料，它自带 “双热转换 buff”—— 既能高效将电能转化为热能（电热效应），又能快速吸收近红外光转化为热能（光热效应），是实现有线 + 无线双控制的关键。同时，MXene 的高导电性和稳定性，确保了致动过程的可靠性。

• CNF（纤维素纳米纤维）：来自天然纤维素的纳米材料，不仅环保、生物相容性好，还能显著增强致动效果 —— 研究表明，加入 CNF 后，致动器的弯曲角度可提升近 30%，同时改善 MXene 薄膜的柔韧性和打印适配性。

• 基板选择：聚碳酸酯（PC）膜：轻便、柔性、多孔的 PC 膜是理想载体。它的多孔结构能快速吸收水性油墨，避免打印时出现 “油墨流淌” 问题，同时良好的热稳定性确保致动过程中（温度低于 120℃）不会变形损坏。

三者结合形成的 “MXene-CNF/PC” 体系，既保留了二维材料的高效能量转换能力，又具备天然材料的柔性适配性，还能通过打印技术实现精准塑形，为后续功能突破打下基础。

气溶胶喷射打印技术

传统软致动器制造常用 electrospinning、溶液浇铸等方法，要么分辨率低（难以实现微米级结构），要么需要复杂后处理（如高温退火、真空干燥），耗时且成本高。而气溶胶喷射打印（AJP）技术的出现，彻底改变了这一现状：

打印工艺的核心优势：

• AJP 技术就像一台 “精准的纳米打印机”—— 它将 MXene-CNF 水性油墨雾化成微小液滴，在氮气载气和鞘气的协同作用下，精准沉积到 PC 膜等柔性基板上。整个过程在室温下进行，无需任何后处理，打印完成后致动器即可直接使用，大大简化了制造流程。

• 它能实现亚毫米级分辨率（最小打印特征尺寸可达 10μm），同时通过调节载气流量、鞘气流量、打印速度等参数，灵活控制薄膜的厚度、导电性和致动性能。研究团队通过优化工艺，成功解决了打印中的 “咖啡环效应”“油墨堵塞” 等问题，甚至能在 PC 膜的单面或双面选择性打印，为复杂致动模式提供了可能。

基板适配的巧妙设计：

研究发现，PC 膜的多孔结构是提升打印质量的关键：与玻璃基板相比，PC 膜能快速吸收水性油墨，避免液体积聚导致的薄膜不均，打印后的 MXene-CNF 薄膜导电性提升了 7 倍。同时，PC 膜的亲疏水性可通过简单处理调节，进一步优化致动器与基板的界面结合力，减少致动过程中的能量损耗。

核心优势

这一新型致动器的核心优势，在于实现了 “多刺激兼容 + 微型化 + 长寿命” 的三重突破，具体表现堪称惊艳：

1. 双刺激响应：有线无线自由切换

致动器能同时响应电刺激和近红外光（NIR）刺激：

• 有线模式：通以微弱电流（低至 36mW），MXene-CNF 薄膜通过焦耳热产生温度变化，驱动 PC 基板弯曲，最大弯曲角度可达 131°，曲率达 2.86cm⁻¹；

• 无线模式：无需电线连接，用近红外光照射（功率密度低至 10mW/mm²），即可实现远程致动，弯曲角度超过 90°，曲率达 1.21cm⁻¹，完美适配无电池微型机器人场景。

两种模式下，致动器的温度都能控制在 120℃以下，避免 PC 基板因高温软化失效，同时确保操作安全性。

2. 微型化 + 长寿命：耐用又小巧

研究团队成功制造出最小尺寸仅 2.5mm² 的致动器，依然能保持 0.87cm⁻¹ 的高曲率，满足微型机器人的驱动需求。更重要的是，它具备极佳的耐久性：在低温环境下（低于 120℃），经过 1000 次循环致动后仍能完全恢复原状，没有出现薄膜脱落、性能衰减等问题。

这种长寿命特性源于材料的协同作用：MXene 的高稳定性防止了导电网络失效，CNF 的纤维结构增强了薄膜的机械韧性，而 PC 基板的柔性确保了反复弯曲时不会断裂。

3. 定向 + 复杂致动：灵活适配多场景

通过选择性打印设计，致动器能实现多样化的运动模式：

• 单面打印：致动器始终向打印面弯曲，实现定向摆动；

• 双面打印：在 PC 膜两侧不同区域打印 MXene-CNF，可实现正弦弯曲、折叠等复杂变形，就像论文中展示的 “睡眠花” 结构，能通过光刺激实现开合动作。

这种设计灵活性，让致动器能适配不同软机器人的运动需求 —— 从蛇形机器人的蜿蜒爬行，到自折叠盒子的自动闭合，再到微型抓手的精准夹持，都能轻松实现。

应用场景

• 微型机器人领域：亚毫米级的尺寸和无线控制能力，让它能作为微型机器人的 “腿部” 或 “翅膀”，在狭窄空间（如人体血管、工业管道）内精准移动，执行检测、维修或药物递送任务。

• 可穿戴设备：柔性材质和低功耗特性，使其能集成到智能手环、康复手套等设备中，通过微弱电刺激或光刺激提供柔性驱动，比如帮助手部功能障碍患者完成抓握动作。

• 医疗微创器械：柔软的材质和精准的致动控制，能避免对人体组织造成损伤，可用于内窥镜手术中的微小操作单元，实现病灶的精准切除或组织取样。

图文导读

图1. MXene-CNF 薄膜的气溶胶喷射打印。（a）在室温下打印 MXene-CNF 薄膜时，需控制五个关键工艺参数，以控制薄膜的质量和尺寸，这些参数包括套管流速、载气流速、打印速度、墨水温度和超声电流。（b）以杜克大学的标志图案直接书写 MXene-CNF 基涂层。（c、d）在硅片上 1 毫米宽的打印的 MXene-CNF 薄膜的扫描电子显微镜图像。（e）单条线打印图案展示了绘制直线和曲线单条线的能力。（f）多个相邻打印的线能够绘制具有 90° 角、弯曲特征和锐角的复杂形状。

图2. MXene-CNF 打印工艺控制。（a）在相同打印条件下，将 MXene-CNF 电极打印到无孔玻璃上（b）聚碳酸酯膜相比的光学显微镜图像。（c）柱状图显示不同基底上薄膜的相对导电性（六个器件的样本大小及误差条代表标准间隔）。（d）打印速度提高会导致薄膜变薄，视觉质量得到改善。（e）在原子喷嘴流量和（f）打印次数不同的情况下，打印在玻璃上的基于 MXene-CNF 的薄膜的导电性和厚度（在原子喷嘴流量为 25 SCCM 时）。（g）速度和电阻具有线性关系，从而在打印 PC 上的 MXene-CNF 薄膜时能够控制电阻。

图3. 打印型 MXene-CNF 微型加热器的热性能。（a）用于测量打印型 MXene-CNF 微型加热器的电子诱导温度响应和松弛时间的实验装置的侧视图示意图。（b）热图图像展示了在不同施加功率条件下，玻璃上一个代表性微型加热器（100 微米×3 毫米）的俯视图。该微型加热器的电阻为 400 欧姆，对应的片电阻约为 13.3 欧姆/平方。（c）MXene-CNF 微型加热器的电极峰值温度与施加的电功率呈线性关系。（d）温度随时间的变化图，显示在恒定功率下持续 5 分钟的稳定性。（e）在三个周期中以 10 伏脉冲（约 263 毫瓦）持续 30 秒的方式施加电压，展示了微型加热器（100 微米×3 毫米）的加热性能的一致性。

图4. 打印式多刺激驱动器的电子驱动（a）多刺激驱动器的侧视图图示，该驱动器在一块 3 毫米×12 毫米的 PC 基板上打印了一个 3 毫米×4 毫米的 MXene-CNF 电阻，该电阻连接着两个打印的 500 微米×8 毫米的 AgNW 电极，而整个基板则放置在一块玻璃片上。（b）在向两端夹紧多刺激驱动器并保持相机聚焦的情况下拍摄的俯视热图图像。（c）在没有基板的情况下，当 2/3（8 毫米）的装置悬空于空气中，而另外 1/3（4 毫米）放置在玻璃基板上（共三个装置的样本尺寸）时，所实现的最大弯曲角度与施加功率的关系图。（d）在没有基板的情况下，装置的循环耐久性。（e）对于一个放置在玻璃上的代表性装置，达到最大弯曲角度所需的时间。施加的电压为 2 伏（约 36 毫瓦）、2.5 伏（约 65 毫瓦）和 3 伏（约 111 毫瓦）。（f）在向代表性多刺激驱动器施加从 0 到 3 伏的电压（放置在玻璃上）时拍摄的最大弯曲角度的照片。

图5. 通过红外辐射实现对打印软驱动器的无线控制。（a）侧视图图示，详细展示了用于远程驱动的实验装置。（b）尺寸为 3 毫米×5 毫米的打印型 MXene-CNF 驱动器置于电脑上，以及在弯曲状态下基于最大高度所产生的热循环耐久性（样本数量为三个装置，误差条代表标准误差区间），当供应的近红外功率密度约为 10 毫瓦/平方毫米时。（c）尺寸为 3 毫米×10 毫米的驱动器在打印速度从 0.5 到 3 毫米/秒的范围内打印出来的弯曲角度，展示了打印速度（以及因此产生的 MXeneCNF 薄膜厚度）对最终驱动效果的影响（样本数量为三个装置，误差条代表标准误差区间），当供应的近红外功率密度约为 10 毫瓦/平方毫米时。（d）（e）（f）展示了具有两个 4 毫米×5 毫米涂层的 4 毫米×20 毫米驱动器在不同功率密度下的热机械响应图，分别在（d）同一侧、（e）相反一侧以及（f）对侧。

结语

这项研究的核心价值，不仅在于开发了一种高性能致动器，更在于建立了一套 “规模化 + 定制化” 的制造方案 —— 通过 AJP 技术，既能批量生产标准化致动器，又能根据具体应用场景灵活调整尺寸、形状和致动模式。未来，研究团队还计划将基板替换为更耐高温的材料，进一步提升致动器的工作温度范围，同时优化油墨配方，增强其在潮湿环境（如人体体液）中的稳定性。

随着 MXene-CNF 致动器技术的不断成熟，软机器人将彻底摆脱 “大型化、有线化、单一化” 的限制，朝着 “微型化、无线化、多功能化” 方向快速发展。或许在不久的将来，我们就能看到毫米级的机器人在血管中 “巡航”，柔性康复设备帮助患者恢复运动功能，而这一切的起点，正是今天这项看似 “微小” 的打印技术突破。

科技的进步往往源于对核心部件的打磨，而 MXene-CNF 致动器的出现，无疑为软机器人产业注入了强劲动力。让我们期待这项技术早日落地，解锁更多智能生活新可能！

原文链接：Nano Lett. 2025, 25, 15501−15508

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