具有刺激响应可变形能力的柔性驱动器在软体机器人、可穿戴设备、生物医学和能量收集等领域具有广阔的应用前景。然而，现有的柔性驱动器仍然存在巨大的挑战，包括所涉及的材料来源于不可再生资源，制备方法复杂且不可扩展，以及无法进行复杂且可编程的变形。
近日，哈尔滨工业大学赫晓东院士、彭庆宇教授和合肥工业大学胡颖教授在期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，发表了最新研究成果“Biobased Inks Based on Cuttlefish Ink and Cellulose Nanofibers for Biodegradable Patterned Soft Actuators”。研究者开发了一种基于墨鱼汁纳米颗粒（CINPs）和纤维素纳米纤维（CNFs）的生物质基墨水，通过墨水直写技术将墨水打印在聚乳酸（PLA）薄膜上制备出图案化光/湿响应驱动器，所得的图案化驱动器可以在自然环境中完全降解。
图1：图案化驱动器的制备过程示意图。
图2：CNF/CINP墨水的流变性能和加工性能。将墨鱼汁纳米颗粒（CINP）与纤维素纳米纤维（CNF）均匀混合再浓缩制备得到CNF/CINP墨水，复合墨水表现出良好的流变特性，通过3D打印机可以在各种基材上进行精确打印（图2）。
图3：驱动器的设计与表征。
将CNF/CINP墨水打印在PLA薄膜上制备得到双层结构驱动器。墨水层由于其优异的光热转化性能、快速吸水/脱水能力和负热膨胀系数而被设计为光/湿响应层。PLA层由于其优异的热膨胀系数、较低的湿膨胀系数以及稳定的物理和化学性质而被设计热膨胀层和湿度惰性层（图3）。
视频1
视频2
图4：驱动器的驱动机理与性能测试。
基于每层响应于湿度或光刺激时的应力失配，双层结构驱动器会发生弯曲变形。当相对湿度从10%切换到90%时，驱动器弯曲曲率在75 s内从5.37 cm−1减小到0.06 cm−1（视频1）。在氙灯（0.37 W/cm2）照射12 s下，驱动器弯曲曲率高达1.53 cm−1。（视频2）。此外，驱动器响应光照和湿度刺激下的变形是完全可逆的，具有循环稳定性（图4）。
视频3
图5：图案化驱动器的可编程折叠变形。
如图5，以墨水线条作为驱动铰链实现了图案化驱动器的可编程折叠变形。在氙灯（0.4 W/cm2）照射10 s后，最大折叠角可达64°（视频3）。
视频4
图6：图案化驱动器的可编程螺旋变形。
如图6，将墨水线条平行打印在PLA薄膜上，墨水层作为定向结构实现了图案化驱动器的可编程螺旋变形。当相对湿度从90%切换到10%时，驱动器从平直状态变形为螺旋状态，当相对湿度再次回到90%时，驱动器将恢复到平直状态（视频4）。
这项工作为开发具有复杂变形能力的可生物降解图案化驱动器提供了一种廉价、快速且可扩展的策略。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c02775
