- 文献综述（或调研报告）：
本次毕设课题为“基于二维材料的微机械抓取机器手仿真设计与实验研究”，针对二维材料的微机械抓手进行了文献调研。二维材料因其特殊的物理特性而引起广泛的关注，二维材料独特的光电特性或许会在高效，宽带、柔性、透明、低功耗等方面的新一代的器件发挥独特作用，因此促使了大量相关的研究。二维材料可对电学性能、光电器件性能有提升，在可穿戴智能器件、柔性电子、储能器件等方面也有很多的提升空间。
机械超材料，是基于多孔，折纸，五模式等复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料。按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料，可调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀、拉胀超材料和智能超流体。Jiang Y, Liu Z等[1]论证了一种可以结合应用到可拉伸应变传感器中以显著提高灵敏度的拉胀超材料，与传统传感器相比，由于该应变传感器结构泊松比的降低和应变集中的协同效应使得灵敏度大大提高了24倍。除了灵敏度，该拉胀超材料结构的应变传感器表现出了良好的循环耐久性。这可进一步应用于其他不同组成材料的可拉伸应变传感器中。Hang Zhang, Xiaogang Guo等[2]设计出一种具有理想各向同性/各向异性特征的软机械超材料，该材料能够获得较大的有效负膨胀率和可调的应力-应变曲线。该结构体系以水凝胶和无源材料的马蹄形复合微结构为基础，随着晶格结构的变化，形成周期性网络。构造块结构利用夹层结构来转换氢膨胀变形的水力膨胀变形，从而增加整个网络的有效收缩。通过引入空间非均匀设计，展示了一系列不寻常的各向异性膨胀响应，包括单向膨胀和沿垂直方向收缩的膨胀响应。该设计方法可以定制微观结构几何形状，以产生所需的长度/面积变化，扩展了现有柔性材料的性能。在使用中的材料可能会经历相当大的温度变化，如果在设计中需要尺寸稳定性，那最需要的就是零膨胀或最小热膨胀的材料。R. LAKES [3][4]研究了具有微结构材料的热膨胀系数的范围和具有无限大小可调正或负热膨胀的胞状固体。结论得出多孔固体结构的热膨胀系数是无限的，它的大小比任何一种固体成分的热膨胀系数大得多，多孔固体的热膨胀系数的符号取决于各肋内成分的位置。通过二维和三维多孔固体以及单相具有负体积模量的复合材料，可以获得大范围的膨胀模量图。此外，还有氧化石墨烯可以作为电容式压力传感器的高性能介电材料，Wan, Shu; Bi, Hengchang等[5]对此进行了论证。GO泡沫被设计成由多孔微结构组成的介电层，具有结构衍生弹性。将GO泡沫的结构弹性和高相对介电常数相结合后制成的电容式压力传感器呈现出前所未有的灵敏度。GO泡沫塑料电容式压力传感器具有灵敏度高、重复性好、响应时间快等优点，在各个领域都显示出巨大的应用潜力，特别是在低负载范围内需要精密压力检测的领域，包括灵活的人机界面和机器人。例如，这种传感器可以集成到汽车的方向盘上，以监测驾驶员的状况。如果疲劳的驾驶员有松开方向盘的趋势，传感器将检测到细微的压力变化，然后警告驾驶员。
使用二维材料制作驱动器有很多种方法，可使用十字型的二维材料薄膜、二维材料与聚合物的双层薄膜等等。Ma C X, Lu W等[6]介绍了一种具有开关可调荧光变色功能的新型宏观各向异性双层水凝胶驱动器的研制方法。通过宏观超分子组装，将pH响应变色的PBI-HPEI水凝胶和收缩的热响应变色的GO-PNIPAM水凝胶结合在一起，然后通过裁剪和再打孔得到各种形状的水凝胶驱动器。通过热激励可以改变驱动器的形状，然后在绿光照射下展开PBI-HPEI水凝胶，从而控制驱动器的荧光开关行为。此外，通过调节pH值可以调节荧光颜色，从而将形状变形和荧光变色功能集成在一个系统中进行优化。Chen Z, Cao R[7]介绍了氧化石墨烯（GO）/聚N-异丙基丙烯酰胺（PANIPAM）复合薄膜双层驱动器的合理设计和易加工性，该驱动器在近红外光照下具有高效、可逆、可重复的弯曲/弯曲行为。双层驱动器包括一层GO和一层GO/PNIPAM杂化材料，利用GO的近红外吸收和光热转换能力以及PNIPAM的热响应特性，在近红外光照射下，GO将吸收的光转化为热，随后引发PANIPAM链的收缩，引起双层驱动器弯曲。由于GO-to-NIR光的形状惰性，NIR光的重复照射引起双层膜以非对称方式收缩/松弛，双层驱动器具备可逆弯曲/伸直的特性。Mu J K, Hou C Y等[8]制造了一种氧化石墨烯作为纳米级积木来制造具有单组分梯度结构的全石墨烯自折叠纸。在室温下通过简单、低成本的工艺来制备rGO层，GO-PDA层会吸收环境中的水分膨胀，在近红外/激光照射下失水导致收缩。高光热转换效率和蓬松结构的rGO薄膜作为支撑层，对将湿度响应的GO-PDA转换成响应速度快、光敏性好、偏转角度大、可逆性好的光驱动驱动器起着重要作用。Chen L, Weng M等[9]提出了一种基于石墨烯氧化物（GO）和双向拉伸聚丙烯（BOPP）复合材料的多响应驱动器。在湿度驱动下（曲率高达3.1 cm-1）条形GO/BOPP执行器表现出极大的弯曲驱动。由于开发了双模驱动机构，在近红外光驱动下，执行器显示2.8 cm-1的弯曲曲率。在此基础上，研制了一种基于GO/BOPP复合材料的智能机器人，该机器人能够在不同外界刺激下，在保护模式和举重模式之间进行切换。又在植物卷须的启发下，进一步实现了一种仿生螺旋GO/BOPP驱动器，在单个驱动器中同时显示扭转和解扭曲的驱动，完全模拟植物卷须的变形。最后，由条形和螺旋形GO/BOPP作动器组成的机械臂可以抓取比自身重2.9倍的物体。Cai G, Ciou J-H等[10]介绍了一种基于MXene（Ti3C2Tx）-纤维素复合材料（MXCC）和聚碳酸酯膜的双层结构驱动器， MXCC/PC膜系统从微观结构到光合作用能力模拟了天然叶子的几个关键特征。双层驱动器具有响应速度快、驱动功率低、驱动速度快、变形大、可编程适应性强、稳定性好、制造成本低等特点。这些设备可能在软机器人、智能开关、信息加密、红外动态显示、伪装、热调节等领域有潜在的应用前景，为众多革命性的技术提供了新的可能性。Wan Shu，Zhu Zhihong等[11]报道了一种新型的超声皮肤共形可生物降解可拉伸石墨烯传感器。以石墨烯层为活性材料，鼻膜为基片组成的GNF传感器具有灵敏度高、响应快的特点。由于其与皮肤的超适形接触，传感器能够检测到微妙的重要生理信号，并能转换人体运动，实现人机交互，GNF传感器将成为未来可穿戴电子领域的一个有效的潜在应用.Bi Hengchang， Yin Kuibo等[12]制备了一种基于石墨烯/G-O纸的新型驱动器，并将其用于构建人工纤毛，以实现位移与电压之间的线性关系，从而实现物体在二维平面上的可控运动。结果发现，由于两张纸的热膨胀系数不同而产生的热应力是导致梁弯曲的原因。这种微小的人工纤毛具有良好的耐久性和稳定性，在MEMS/NEMS应用中被认为有助于运输和移动物体以及精确定位。Yue Dong，Jie Wang等[13]提出了一种智能可编程的GO/PPy驱动器，用于在GO膜上高精度地绘制PPy图形。用同样的方法在GO膜上制备PANI、PEDOT和海藻酸钙水凝胶图案化，在GO纤维和泡沫上制备PPy图案化。由于GO和PPy对水的吸附或解吸能力不同,GO/PPy驱动器在湿度、温度和红外刺激下表现出优异的驱动性能。受鹰爪和卷须攀援植物的启发，开发了具有交叉和螺旋结构的智能抓具，以捕获/释放目标物体。此外，在尺蠖运动的启发下，我们还设计了一种能够在红外线间隔刺激下长距离前进的软步行机器人。Han D D，Liu Y Q等[14]论证了用连续真空过滤GO和还原GO（RGO）水溶液制备湿/热/光多响应石墨烯驱动器的方法。通过改变紫外（UV）光照射时间，预先精确地调整RGO层的光还原度，从而在高控制下形成沿GO/RGO双层纸的法向的预处理还原梯度。GO/RGO双层膜利用GO层与RGO层之间竞争性的水吸附以及热、光促进的脱附作用，对水分、光和温度的变化做出响应，并通过控制含氧基团的梯度来调节其变形程度。Heng Deng, Cheng Zhang等[15]介绍了一种自下而上的方法来制备取向激光诱导石墨烯（LIG），该结构类似于植物中纤维素纤维的排列微结构。这种LIG结构作为几何约束材料，可以精确地控制聚合物和LIG层构成的柔性驱动器的形状变化行为。同时，LIG结构还可以作为功能材料吸收光能和电能来刺激软驱动器的运动。利用排列的LIG结构的几何约束效应，在电、光、有机蒸气和水分的激发下，实现了一系列可编程的驱动，在不同的激励下也可以作为软夹持器、人工肌肉等等应用。
综上所述，通过文献调研，深入了解了二维材料、机械超材料及其应用，为本毕业设计中微机械抓取机器手的机械机构设计、制备方法实现、表征平台建立等提供了有益参考和深入理解。
参考文献：
[1] Jiang Y, Liu Z, Matsuhisa N, et al. Auxetic Mechanical Metamaterials to Enhance Sensitivity of Stretchable Strain Sensors. ADVANCED MATERIALS. 30(12). doi:10.1002/adma.201706589.
[2] Zhang H, Guo X, Wu J, Fang D, Zhang Y. Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves.SCIENCE ADVANCES.4(6). doi:10.1126/sciadv.aar8535.
[3] Lakes R. Cellular solid structures with unbounded thermal expansion. Journal of Materials Science Letters. 1996;15(6):475. doi:10.1007/bf00275406.
[4] Lakes R( 1,2,3 ). Cellular solids with tunable positive or negative thermal expansion of unbounded magnitude. Applied Physics Letters. 90(22). doi:10.1063/1.2743951.
[5] Wan S, Bi H, Zhou Y, et al. Graphene oxide as high-performance dielectric materials for capacitive pressure sensors. Carbon. 2017;114:209-216. doi:10.1016/j.carbon.2016.12.023.
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