人造软手指可快速打开和关闭智能手机上的手电筒。图片：MT Manzoor
软执行器是一类激动人心的智能设备，可通过外部刺激（例如光、温度、电势或气压）来驱动。柔软是这些执行器的主要优点之一。例如，坚硬，锋利的材料可能会损坏触摸屏面板。但是，软执行器可以在不损坏触摸面板的情况下运行，并且它们几乎不产生振动。因此，使用这些执行器可以实现诸如人造手指之类的新颖装置。
离子聚合物软执行器（IPSA）
在软执行器中，离子聚合物软执行器（IPSA，ionic polymer soft actuators）使用电势作为刺激。通常，将电活性聚合物膜（包含正离子和负离子）夹在两个柔性电极之间。正离子和负离子的大小不同。当在电极上施加电势时，正离子和负离子会向带相反电荷的电极移动。由于尺寸差异，聚合物膜的一侧膨胀而另一侧收缩，从而产生弯曲变形。这种弯曲变形类似于我们使用手指时执行的动作。
利用电势作为刺激，离子聚合物软执行器成为机器人应用的强大候选者。但是，实际应用要求离子聚合物软执行器在低输入电压和高频（快速运动）下显示出较大的弯曲变形。
从离子聚合物软执行器的结构可以推断出，这些执行器其实是电容器。为了在低输入电压和高频下实现大的弯曲变形，需要高的电荷存储容量和高的电荷转移。然而，这些性质是对立的，不可能在单一类型的材料中同时实现。
如何解决问题
近年来，纳米复合材料已用于各种需要权衡和对立操作的场合。混合结构可根据特定应用简化设计。对于上述问题，活性材料实验室（韩国科学技术研究院，KAIST）提出了结合使用二硫化钼（MoS2）和氧化石墨烯（rGO）的想法。已知MoS2具有高电荷存储容量，并且已经在超级电容器领域进行了广泛的研究。另一方面，rGO是出色的导体，可提供高电荷转移。结合使用时，MoS2和rGO通过形成纳米PN结实现电荷存储，通过提供其他电荷流动的路径实现电荷转移。因此，这种纳米复合材料能够同时提供高电荷存储和电荷转移。
人造轻触手指
使用这种新型纳米复合材料的离子聚合物软执行器在极低的电压（0.1-1.5 V）下显示出高弯曲变形（~10 mm）和快速响应（~8 Hz）。这些独特的功能使研究人员能够开发出人造轻触手指。
人造软手指操作智能手机。图片：MT Manzoor
研究人员已经做出了该设备的概念设计。从上面视频中可以明显看出，柔软的手指（位于智能手机贴片中央的黑色移动条）可以快速切换智能手机闪光灯的打开/关闭状态。同样，将手指连接到移动操作台上，可在显示器上的某些位置完成触摸操作。
将来，如果将包含频率和电压的控制电路与人工智能控制系统连接，它可以执行更复杂的任务。此外，手指的工作电压非常低（0.1 V），因此可以直接连接到神经系统，然后再由大脑控制。因此，它们可以用于帮助失去手指或天生手指缺失的人。
总而言之，人造轻触手指概念是令人兴奋的新型智能设备，在未来几年中将继续进行探索。
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