在光合作用过程中，具有精细结构和功能组件的天然叶子可以收获太阳能并将其转化为转化为能量的化学燃料。生物能源生产为材料科学家提供了一种新的生物启发范例，可以产生许多自主系统，包括光触发运动。在最近的一份报告中，Guofo Cai及其材料科学与工程，航天科学与力学，化学工程系的同事们开发了一种基于MXene(Ti 3 C 2 T x) - 纤维素复合材料(MXCC)的前所未有的双层致动器。)和聚碳酸酯(PC)膜。

该设备模仿了叶子的复杂结构，并显示了与光合作用类似的能量收集和转换能力。双层致动器包含非常理想的特征，包括：多响应，低功率驱动，快速驱动速度，大型变形，稳定性和可编程适应性 - 非常适合现代软驱动器智能系统。蔡等人。相信这些自适应软系统将成为革命性技术，构建软机器人，智能开关，信息加密，红外动态显示，伪装和温度调节。他们设想了该技术的其他用途，以开发人体机器接口，如触觉。该研究现已发表于科学进步。

材料科学家研究了材料和器件，这些材料和器件可动态改变形状，尺寸和电气/ 机械性能，以响应外部刺激，适用于各种应用。这些装置具有作为致动器，人造肌肉，机器人，能量发生器，传感器和智能窗帘等重要功能。科学家们致力于开发基于各种活性材料的智能执行器，如碳纳米管和石墨烯，形状记忆聚合物，凝胶，共轭聚合物和液晶弹性体以及陶瓷和合金。

左图：由NIR光引起的MXCC / PC双层结构致动器的机械性能和运动。(A)当NIR光照明打开和关闭(50mW cm-2)时，在一个致动循环期间MXCC和基于纤维素的致动器的典型静态力和应变变化。(B)MXCC和基于纤维素的致动器的静态力和应变作为五个连续NIR灯开启和关闭循环的时间的函数的曲线图，表明可逆，稳定和快速致动过程。(C)基于MXCC的致动器在不同NIR照射强度(5至200mW cm-2)下的静态力变化。(D)基于MXCC的致动器在不同NIR照射强度(5至200mW cm-2)下的弯曲角度。右：在不同的NIR照明强度和机械建模下的结构变化。(A)基于MXCC和MXene的致动器在不同NIR光照射强度下的XRD图案(实线，基于MXCC的致动器;虚线，基于MXene的致动器)。(B)在不同的NIR光照射强度下，基于MXCC和MXene的致动器的相应d间距。(C)基于MXCC的致动器的模拟和实验结果。(D)在NIR光照射下基于MXCC的致动器的模稳定性限制了它们的能力，目前很难提高致动速度和放大形状变化。因此非常需要构建智能致动器，其响应于诸如湿度，电力，热量或光的各种刺激，具有快速致动，大形状变形，可编程适应性和稳健稳定性。为了建立新的和改进的材料特性，材料科学家因此，必须探索先前未识别的组合材料并合理地设计装置配置以发明高性能致动器。

本工作中使用的MXene(Ti 3 C 2 T x)属于新型液晶二维(2-D)金属碳化物，具有优异的导电性，导热性和光热转换性，形成多响应且可能高性能执行器。目前仅存在使用MXene作为电化学致动器的单个实例。因此，在目前的工作中，蔡等人。旨在将MXene用作多响应软驱动器，探索叶片风格，精致的架构，实现简单的驱动，并配合协同功能组件。

受到天然叶片的生物结构和光合机制的启发，Cai等人。设计了一种不对称的双层软驱动器，采用单晶二维MXene纳米片来收集电能或光能转化为热能。为此，他们使用生物相容的纤维素纳米纤维形成静脉骨架，与聚碳酸酯(PC)过滤膜一起形成快速的叶状形状，形成气孔和表皮，用于水插入和从MXene-纤维素复合材料(MXCC)中提取。科学家证实，由于使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱存在纤维素，MXCC中水的吸收增加。使用选区电子衍射 (SAED)图案，他们检测到MXene的存在是六方结构和单结晶度，没有纳米尺度的缺陷。

软质执行器在相对湿度的环境条件下保持平坦且无皱的形状，同时响应于环境中的增加/减少的湿度而弯曲，Cai等人。定量分析。他们注意到在各种湿度水平下都具有出色的执行器性能和可控的弯曲角度。接下来，科学家通过将MXene纤维素条带连接到两根铜线来研究设备的电气驱动。随着电功率的增加，弯曲角度几乎线性地减小，而软驱动器仅需要低电压来实现极端致动。与基于湿度的驱动相比，科学家们通过电热驱动实现了更大的弯曲角度。

科学家还使用近红外(NIR)光照射记录了软致动器的温度变化和结合角度。他们观察到MXene /纤维素复合材料的显着的协同致动运动，与各个部件的不良致动性能相反。基于观察到的光吸收，光热转换和电化学驱动，Cai等人预期这些复合智能软驱动器在光响应功能中的使用。

蔡等人。进一步研究了在机械分析仪上NIR光照射下材料的光致机械力。MXCC / PC的驱动过程快速且可逆。科学家使用X射线衍射(XRD)测量研究了不同强度照射下MXCC / PC和MXene / PC致动器的结构变化，以显示纤维素和PC膜的无定形特征。他们使用有限元建模方法(FEM)研究了机械性能，以进一步了解复合材料的驱动过程。建模结果与研究中的实验结果一致。

为了展示可编程的驱动行为，科学家们开发了一系列复杂的配置。包括双折叠U形致动器，三叶形拱形致动器和自花花，花瓣在NIR照射前打开和开花，在暴露于NIR时快速关闭。此外，科学家还探索了各种智能设备，如蠕虫式机器人，智能开关，加密设备以及红外动态显示和伪装，以扩展主要概念。此外，蔡等人。通过在PC膜上图案化十字形MXCC来构建智能开关，它们使用无线NIR灯进行控制。基于这些原理，科学家们还组建了一个开放式电路，使用NIR灯打开/关闭智能手表。

对于数据加密，基于可编程的MXene-纤维素油墨，Cai等人。设计了所需的图案，并通过使用近红外光或电的局部加热来传达信息。该信息仅可使用IR读取并且对人眼不可见，从而提供除机器可读条形码和QR码之外的更适合的信息加密。将多种功能集成到一个系统中以实现伪装，显示和驱动的能力在多个学科中是重要且有用的。这些设备证实了使用MXCC / PC膜在智能软系统中提供多种功能的可能性，包括信息加密，伪装和热响应行为。

本研究中引入的新型复合材料，合理设计和低成本制造，以及科学家实施的合成策略，将使MXCC / PC膜系统可用于广泛的科学和工程领域。通过这种方式，国发蔡和同事开发并建立了一种新型的多响应材料和装置，其多功能生物结构的灵感来源于前所未有的多种特性。

MXCC / PC膜系统模拟了从微观结构到光合能力的天然叶子的关键特征，包括能量收集和转换。双层执行器显示出强大的功能，类似于最先进的多响应执行器。探索的材料和先进的系统可以进一步发展，为软机器人，信息加密和红外动态显示领域的革命性技术创造新的可能性。