Med hjälp av en standardkamerablixt, forskare förvandlade ett vanligt ark grafenoxid till ett material som böjs när det utsätts för fukt. De använde sedan detta material för att göra en spindelliknande larv- och klorobot som rör sig som svar på ändrad luftfuktighet utan behov av någon extern ström.

"Utvecklingen av smarta material som fuktkänslig grafenoxid är av stor betydelse för automation och robotik, " sa Yong-Lai Zhang från Jilin University, Kina, och ledare för forskargruppen. "Vår mycket enkla metod för att göra typiska grafenoxider smarta är också extremt effektiva. Ett ark kan förberedas på en sekund."

I journalen Optical Materials Express , från The Optical Society (OSA), forskarna rapporterade att grafenoxidark behandlade med kort exponering för starkt ljus i form av en kamerablixt uppvisade reversibel böjning i vinklar från noll till 85 grader som svar på att den relativa luftfuktigheten ändrades mellan 33 och 86 procent. De visade också att deras metod är repeterbar och att de enkla robotarna de skapade har bra stabilitet.

Även om andra material kan ändra form som svar på fukt, forskarna experimenterade med grafenbaserade material eftersom de är otroligt tunna och har unika egenskaper som flexibilitet, ledningsförmåga, mekanisk styrka och biokompatibilitet. Dessa egenskaper gör grafen idealisk för breda tillämpningar inom olika områden. Till exempel, materialets utmärkta biokompatibilitet skulle kunna tillåta fuktkänslig grafenoxid att användas i organ-on-a-chip-system som simulerar mekaniken och fysiologiska responsen hos hela organ och används för läkemedelsupptäckt och annan biomedicinsk forskning.

Att göra ett fuktkänsligt material

Andra grupper har visat att grafenoxid kan göras fuktkänslig genom en kemisk reaktion som kallas reduktion, som tar bort syre från molekyler. Faktiskt, forskarna har tidigare visat att både solljus och UV-ljus kan inducera effekten. Dock, dessa tillvägagångssätt var svåra att exakt kontrollera och inte särskilt effektiva.

Forskargruppen experimenterade med att använda en kamerablixt, som vanligtvis täcker ett brett spektralområde, som ett enkelt och effektivt sätt att skapa fuktkänslig grafen. En kamerablixt gjorde det möjligt för forskarna att ta bort syre från, eller minska, bara en sida av ett ark grafenoxid. När det finns fukt, den reducerade sidan av grafenoxiden absorberar färre vattenmolekyler, vilket får den icke-reducerade sidan att expandera och plåten att böjas mot den reducerade sidan. Om materialet sedan utsätts för torr luft, det plattar ut.

Forskarna fann att det räckte att hålla blixten cirka 20 till 30 centimeter bort från grafenoxidarket för att selektivt modifiera det översta lagret av arket utan att penetrera hela vägen till andra sidan. Arket måste också vara mer än 5 mikron tjockt för att förhindra att det reduceras helt av blixtexponeringen.

Grafen robotar

För att göra en fuktdriven crawler, forskarna skär flashbehandlad grafenoxid till en insektsform med fyra ben. Den fristående larven var ca 1 centimeter bred och flyttade sig framåt när luftfuktigheten ökades. Att slå av och på luftfuktigheten flera gånger fick larvbandet att röra sig 3,5 millimeter på 12 sekunder, utan extern energiförsörjning.

Forskarna gjorde också en kloform genom att sätta ihop åtta 5 x 1 millimeters band av blixtbehandlad grafenoxid i en stjärnform. När fukt var närvarande, klon stängdes inom 12 sekunder. Den återgick till ett öppet läge efter 56 sekunders exponering för torr luft.

"Dessa robotar är enkla och kan manipuleras flexibelt genom att ändra luftfuktigheten, ", sa Zhang. "Dessa design är mycket viktiga eftersom att flytta och fånga/släppa är grundläggande funktioner i automatiserade system."

Zhang tillade att integrering av fuktreagerande grafen i ett mikrokanalsystem kopplat till fuktighetskontroller kan tillåta ännu mer exakt kontroll och andra typer av robotar eller enkla maskiner. Forskarna arbetar nu med sätt att förbättra kontrollen av materialets böjning och experimenterar med sätt att få mer komplex prestanda från robotar gjorda av fuktkänslig grafenoxid.