光驅(qū)動軟體致動器的制備及其信息安全應(yīng)用

陳原浩， 呂鵬飛， 楊夢園， 馮奕鈺， 封 偉， 王 玲

(天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

1 引 言

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，信息安全性已成為當(dāng)前研究的熱點[1-3]，伴隨著各式各樣的信息安全保護(hù)技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。多年以來，已存在的解決信息安全問題的方法大部分是建立在設(shè)置密碼基礎(chǔ)之上，雖然設(shè)置密碼會增加信息的安全性，但是同時存在兩個不可忽略的問題，第一是會增加破解者的猜疑以及感知到信息的潛在價值，這反而會增加信息被破解的風(fēng)險；第二是設(shè)置的密碼也常常會被用戶忘記，因此也帶來極大的不便性。相對于設(shè)置密碼而言，信息的隱密更為安全，因為信息的隱密是隱藏信息“存在性”，把機(jī)密信息隱藏在其他無關(guān)緊要的信息中形成隱形的信息通道，這樣可以達(dá)到蒙蔽破解者的目的，因此相對信息加密，信息隱密會具有更高的安全性和價值[4]。信息隱密是將信息隱藏起來，暫時阻礙了他們獲取信息，但這也不是絕對安全的，因為這些掩密技術(shù)只是相對地延長了那些沒有獲得任何信息的破解者破譯的時間，并未徹底地解除破解者的猜疑。孫子說：“兵以詐立”，如果給破解者一些假的破譯信息，在掩護(hù)真信息的同時，又可以進(jìn)一步化解破解者的疑慮，做到混淆真假的目的，那么便可以使信息的安全更上一個臺階，這就是基于信息示假隱真的效果。

這里，我們將信息安全和隱密與時下較熱的軟體致動器相結(jié)合，展現(xiàn)一種新型的、有效的信息示假隱真技術(shù)。作為新型的驅(qū)動材料，軟體致動器具有非常明顯的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域[5-7]。相對于剛性驅(qū)動而言，軟體致動器具有更高的空間自由度、更大的形變量，以及更安全的人體交互能力，而且可以適應(yīng)動態(tài)的環(huán)境，被廣泛運(yùn)用于智能裝置[8]、軟體機(jī)器人[9]、人工肌肉[10]、微型操控器[11]，甚至應(yīng)用于生物領(lǐng)域，例如藥物傳輸[12]等。盡管軟體致動器應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，但是據(jù)我們當(dāng)前所了解的信息，軟體致動器幾乎還沒有應(yīng)用到與信息安全相關(guān)的領(lǐng)域。因此，當(dāng)信息安全問題和軟體驅(qū)動材料相結(jié)合時，既可以拓寬軟體致動器應(yīng)用領(lǐng)域，又能為信息安全問題提供一個新的解決方案和思路。因此本研究具有較強(qiáng)的新穎性和實用性，在未來情報傳遞、票據(jù)防偽等方面均具有極其重要的應(yīng)用價值。

2 實 驗

2.1 材料和儀器

十六烷基三甲基溴化銨，對苯二酚，氯金酸，硼氫化鈉，鹽酸：化學(xué)純，上海西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司；硝酸銀:化學(xué)純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；水性丙酸酯：化學(xué)純，深圳吉田化工有限公司; 聚酰亞胺薄膜：東莞市優(yōu)倫電子材料科技有限公司；聚丙烯薄膜：汕頭冠華薄膜工業(yè)有限公司。

紫外-可見-紅外光譜儀(UV-Vis-NIR)(日本Shimadzu公司UV-3600 plus)；透射電鏡(TEM)(日本JEM公司2100F)；紅外熱像儀(IR camera)(德國Fluke公司TiX500)；相機(jī)(Camera)(日本Canon公司EOS 6D Mark II)；等離子體清洗劑(Plasma cleaner)(北京市邁可諾技術(shù)有限公司PDC-32G-2)；激光光源(Laser)(中國長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司MDL-655, MDL-808, MDL-980)。

2.2 金納米棒的合成與FDTD模擬

金納米棒的合成采用無種子法[13-15]，如圖1所示。具體實驗過程如下：首先，將10 mL CTAB(aq，0.1 mol/L)和400 μL HAuCl4(aq，0.01 mol/L)與不同體積的AgNO3(aq，0.01 mol/L)混合(用量從70 μL到160 μL不等)。然后，將20 μL HCl(aq，1 mol/L)添加到生長溶液中以調(diào)節(jié)pH。在低速攪拌下加入對苯二酚(aq，0.1 mol/L)后，生長溶液的顏色從橙色變?yōu)橥该?。之后，在劇烈攪拌下使用移液槍快速地滴?0 μL新鮮制備的冰浴NaBH4(aq)溶液。最后，將混合溶液保存在30 ℃的溫度下并靜置10 h。將金納米棒溶液以16 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心30 min。金納米棒的FDTD模擬如下過程：FDTD Solutions 8.15軟件來模擬金納米棒的周圍電場。我們選擇了內(nèi)置軟件模型作為金納米棒模型，并設(shè)置金納米棒的長度方向平行于x軸。考慮到金納米棒的對稱性，金納米棒的邊界在x軸方向上設(shè)置為反對稱條件，在y軸方向上設(shè)置為對稱條件。金納米棒的周圍介質(zhì)的網(wǎng)格設(shè)置為0.25 nm，周圍介質(zhì)的折射率設(shè)定為1.33，即水的折射率。

圖1 無種子法生長金納米棒

2.3 雙層軟體致動器的制備及性能研究

聚丙烯薄膜和聚酰亞胺(PP/PI)雙層軟體致動器具體制備過程如圖2所示。首先，使用等離子體清洗機(jī)處理聚丙烯薄膜和聚酰亞胺膜以獲得更高的親水性，然后將水性丙烯酸酯膠水均勻地旋涂在聚丙烯薄膜的表面上。為了使聚酰亞胺表面圖案化，我們利用透明膠帶作為遮罩基材部分地覆蓋在聚酰亞胺薄膜的表面，然后將不同長徑比的金納米棒選擇性地涂覆在未遮罩的區(qū)域，當(dāng)金納米棒溶液水分在空氣中自然揮發(fā)結(jié)束后，將聚酰亞胺表面的透明膠帶揭下來，最后將表面具有水性丙烯酸酯的聚丙烯薄膜覆蓋在聚酰亞胺薄膜的表面。此時可以通過肉眼觀察到金納米棒本身的顏色圖案，為第一種信息。當(dāng)使用手術(shù)刀在驅(qū)動表面進(jìn)行切割時，那些切割的部分會在激光刺激下發(fā)生形變，與第一種信息復(fù)合產(chǎn)生第二種信息。由于金納米棒的光熱效應(yīng)，在紅外相機(jī)里只能觀察到相應(yīng)激光激發(fā)所產(chǎn)生的圖案，該圖案是由致動器表面的光熱和形變復(fù)合而成的信息，為第三種信息。

圖2 雙層軟體致動器制備過程

3 結(jié)果與討論

3.1 金納米棒光選擇性的吸收及其光熱性能

金納米顆?？梢晕找欢úㄩL的激光以實現(xiàn)內(nèi)部電子的躍遷，即從基態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)，這樣可以實現(xiàn)以熱的形式釋放能量。當(dāng)入射波的頻率和金納米顆粒整體的振動頻率一致時，此時會產(chǎn)生很強(qiáng)的光吸收，這種現(xiàn)象叫做表面等離子體共振(SPR)效應(yīng)[16-18]，SPR峰的位置主要取決于納米粒子的大小、表面的電荷、金納米顆粒的形狀等，金納米顆粒由于表面等離子共振效應(yīng)使其具有非常優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化效率。金納米棒具有兩個表面等離子共振峰，一個是橫向表面等離子共振峰(TSPR)，一個是縱向表面等離子共振峰(LSPR)。橫向等離子共振峰為固定值在520 nm波長左右，相對于橫向表面等離子共振而言，其縱向表面等離子共振(LSPR)具有更強(qiáng)的光吸收和轉(zhuǎn)化效應(yīng)，而且其吸收峰的位置與金米棒的長徑比有關(guān)，因此改變金納米棒的長徑比就可以獲得不同波長吸收的金納米棒[19-22]。金納米顆料的制備方法在很大程度上會影響其形貌特征，對于金納米棒制備而言，硝酸銀是調(diào)節(jié)金納米棒形貌的理想的化學(xué)試劑。我們在生長液中添加70～160 μL的硝酸銀(aq,0.01 mol/L), 獲得了3種不同長徑比的金納米棒，如圖3所示。圖3(a)、(b)、(c)所示的金納米棒，其長度分別為45(±6) nm、22(±4) nm、35(±4) nm，直徑分別為25(±5) nm、5(±2) nm、6(±2) nm。另外，研究發(fā)現(xiàn)無論哪種金納米棒，其金納米棒中都會含有少量的金納米球，這與加入的硼氫化鈉的量有很大關(guān)系[13]。

圖3 不同長徑比的金納米棒透射電鏡圖。

為了探究金納米棒的長徑比與其光學(xué)吸收的關(guān)系，我們使用紫外-可見-紅外吸收光譜儀檢測了金納米棒的光譜吸收。測量結(jié)果如圖4(a)所示，其對應(yīng)于圖3所示的金納米棒。其中圖3(a)所示的金納米棒的LSPR在655 nm左右，圖3(b)的LSPR在808 nm左右，圖3(c)的LSPR在965 nm左右。為了進(jìn)一步揭示金納米棒選擇性吸收的原因，我們使用FDTD Solutions 8.15軟件模擬了金納米棒周圍的電場。其仿真結(jié)果如圖4(b)所示，我們發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)的波長激光激發(fā)下，金納米棒周圍的電場提升至原來的50倍左右，而在其他波長激光激發(fā)下，其周圍電場并未出現(xiàn)明顯的改變，這說明只有在相應(yīng)波長激發(fā)下，金納米棒才具有最強(qiáng)的光吸收作用。為了進(jìn)一步驗證不同長徑比的金納米棒的光熱性能和光的選擇性吸收，我們使用波長在655，808，980 nm的激光進(jìn)行激發(fā)，激發(fā)結(jié)果如圖4(c)所示。在80 mW/cm2的655 nm激光刺激響應(yīng)下，圖3(a)的金納米棒最先達(dá)到最大溫度20 ℃左右，而且上升溫度很快，而對于其他兩種金納米棒，在該波長的激光照射下，最大溫度僅僅可以達(dá)到5.5 ℃和4.8 ℃左右。同樣，圖3(b)和圖3(c)的金納米棒分別在其各自的激發(fā)光(150 mW/cm2)下可以達(dá)到其最大的光熱溫度，分別為23 ℃和24 ℃左右。

圖4 不同金納米棒的表征。

3.2 雙層軟體致動器的機(jī)理及性能研究

對于光響應(yīng)雙層軟體致動器，目前的驅(qū)動機(jī)理可以大致分為光熱驅(qū)動和光化學(xué)驅(qū)動。相對于光化學(xué)驅(qū)動而言，光熱驅(qū)動具有較快的響應(yīng)速度和較大的形變幅度，因此具有良好的應(yīng)用前景。具體而言，光熱驅(qū)動是在光熱劑作用下，吸收一定波長的光，并且將其轉(zhuǎn)化成熱量，利用所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行驅(qū)動。光熱驅(qū)動雙層軟體致動器又可以進(jìn)一步分為光熱膨脹致動器、光熱吸附/解吸附致動器、光熱相轉(zhuǎn)變致動器[23-25]。相對于后兩者而言，光熱膨脹驅(qū)動機(jī)理更加簡單而且制備方便，可重復(fù)驅(qū)動效果更好。

我們采取光熱膨脹雙層驅(qū)動機(jī)理，利用兩種熱膨脹系數(shù)差異較大的材料制備雙層膜。第一層膜材料是聚酰亞胺，作為被動層，具有非常低的熱膨脹系數(shù)，為2×10-5/K[26], 第二層膜材料是聚丙烯材料，作為主動層，具有較高的熱膨脹系數(shù)，為(1～2)×10-4/K[27], 其熱膨脹系數(shù)也與材料的加工方式有關(guān)。當(dāng)外界溫度增加時，兩種膜材料各自都會受熱發(fā)生體積膨脹，而由于聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)要低于聚丙烯，因此在相同溫度下，其體積膨脹要明顯小于聚丙烯的體積膨脹，而且兩者之間的界面限制了聚丙烯發(fā)生的熱膨脹，從而導(dǎo)致聚丙烯膜彎向聚酰亞胺膜的方向，這就是熱膨脹導(dǎo)致復(fù)合膜發(fā)生形變的基本原理，如圖5(a)所示。當(dāng)該軟體致動器與光熱劑結(jié)合時，利用光熱劑吸收外界的光然后轉(zhuǎn)化成一部分熱量，產(chǎn)生的熱量可以進(jìn)一步驅(qū)動致動器發(fā)生形變，因此賦予材料的光響應(yīng)性能。

圖5 基于金納米棒的軟體致動器。

該雙層軟體致動器具有靈敏度高、變形量大、可逆性好的特點。我們制備了808 nm激光響應(yīng)的軟體致動器，并對此進(jìn)行循環(huán)刺激測試，測試使用的激光強(qiáng)度為150 mW/cm2。我們利用激光對尺寸為15 mm×5 mm×0.04 mm的軟體致動器進(jìn)行1 000次循環(huán)刺激，每次循環(huán)的周期為2 s，每個周期內(nèi)刺激與回復(fù)的時間各為1 s。前100次循環(huán)刺激的結(jié)果如圖5(b)中所示，在未收到受到激光刺激處于回復(fù)期時，該致動器具有小幅度的彎曲角度10°左右，當(dāng)接受到激光刺激響應(yīng)時，彎曲角度可達(dá)到80°左右，而且經(jīng)過多次循環(huán)刺激，并未出現(xiàn)明顯的疲勞和性能衰減，說明該致動器具有良好的可循環(huán)性能。

基于金納米棒良好的光熱性能以及軟體致動器具有的優(yōu)異驅(qū)動性能，我們利用655 nm激光響應(yīng)的軟體致動器制備一個負(fù)重軟體爬行機(jī)器人。該爬行機(jī)器人本身質(zhì)量為1.5 mg，兩端各負(fù)載一個15 mg的聚氨酯泡沫，總的負(fù)載量為本身質(zhì)量的20倍左右。首先，利用60 mW/cm2光強(qiáng)的655 nm的激光刺激前腿，爬行軟體機(jī)器人的前腿首先向下彎曲，前腿上與地面之間的摩擦力變小，然后向前移動。當(dāng)撤掉655 nm的激光后，負(fù)重機(jī)器人又重新恢復(fù)到原來的形狀。當(dāng)前腿恢復(fù)時，前腿與地面的角度逐漸增大，因此與地面的彎曲角度也逐漸增大，又帶動后腿往前移動。因為負(fù)重爬行機(jī)器人所負(fù)重的質(zhì)量是本身質(zhì)量的20倍，因此該爬行機(jī)器人向下彎曲的時間(1.4 s)要快于恢復(fù)的時間(7.1 s)，如圖5(c)所示。通過依次切換開關(guān)激光，爬行機(jī)器人的移動速度為15.5 mm/min。盡管這個速度要低于先前報道的一些未負(fù)重的爬行機(jī)器人，比如Ink/PET/Acrylic爬行機(jī)器人(26 mm/s)[28]，RGO/PDMS爬行機(jī)器人(16 mm/s)[29]，PDG-CNT/PVDF爬行機(jī)器人(100 mm/s)[30]，但是該負(fù)重機(jī)器人比未負(fù)重的機(jī)器人具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，比如微型機(jī)器人，微型運(yùn)輸裝置。

3.3 基于雙層軟體致動器的信息示假隱真技術(shù)

信息示假隱真技術(shù)可以混淆真假信息以到達(dá)蒙蔽信息竊取者和傳遞真信息的目的，廣泛地應(yīng)用于保密通信，可以有效保護(hù)隱私和情報，因此對信息示假隱真技術(shù)的研究具有非常重要的實用價值。之前我們通過理論分析和實驗測試了金納米棒特異性吸收，結(jié)合軟體致動器的優(yōu)異驅(qū)動性能，我們展示了一種基于雙層軟體致動器的信息示假隱真技術(shù)。

圖6 基于軟體致動器的信息示假隱真技術(shù)。

我們將不同長徑比的金納米棒進(jìn)行區(qū)域性涂覆，整個制備過程如圖2所示。首先在聚酰亞胺表面制備第一層圖案化遮罩，然后將不同長徑比的金納米棒區(qū)域化的涂覆在圖案遮罩上，如圖6(a)所示。首先將808 nm波長激發(fā)的金納米棒和655 nm波長激發(fā)的金納米棒部分地涂覆在聚酰亞胺薄膜上，形成金納米棒圖案，然后將金納米棒圖案化后的聚酰亞胺和聚丙烯膜通過膠水復(fù)合在一起，利用手術(shù)刀在致動器上進(jìn)行區(qū)域切割，最后將軟體致動器的四周固定在玻璃基板上進(jìn)行刺激響應(yīng)。

如圖6(a)所示，當(dāng)未使用激光照射時，致動器表面所顯示的信息是數(shù)字8，這是假信息之一。當(dāng)使用808 nm激光進(jìn)行照射時，由于金納米棒的光熱效應(yīng)，被手術(shù)刀切割的部分在激光照射下會發(fā)生形變，形變的角度至少在50°以上，通過肉眼觀察，金納米棒圖案由原來的信息8變成了英文字母H, 這是肉眼所觀測到的另外一個假信息。在紅外相機(jī)觀察下，因為不同長徑比的金納米棒光吸收的選擇性，655 nm光響應(yīng)的金納米棒的區(qū)域與808 nm光響應(yīng)的金納米棒的區(qū)域光熱存在明顯差異，相差的溫度在10 ℃左右，因此顯示的是另外一種真實信息為數(shù)字4，這就是基于軟體致動器的信息示假隱真技術(shù)的機(jī)理。

我們將不同長徑比的金納米棒進(jìn)行各種組合，得到一系列的圖案，這些圖案信息具有不同的隱藏信息內(nèi)容，如圖6(b)所示。將808 nm光響應(yīng)的金納米棒與965 nm光響應(yīng)的金納米棒區(qū)域性地涂覆在聚酰亞胺膜上，在環(huán)境光下，我們?nèi)庋鬯^測的假信息是數(shù)字8，利用965 nm波長激光照射時，由于軟體致動器光熱發(fā)生形變，我們觀察到的是假信息數(shù)字5，而在紅外相機(jī)觀測到的真實的信息是漢字三。此外，將965 nm波長光響應(yīng)的金納米棒與655 nm光響應(yīng)的金納米棒區(qū)域性地涂覆在聚酰亞胺膜上，利用980 nm的激光照射該圖案時，肉眼所觀測的假信息是大寫字母E，利用紅外相機(jī)觀測到真實的信息是大寫字母F。這些隱藏的信息包括數(shù)字、字母、漢字，從另一方面說明了示假隱真技術(shù)背后所容納的信息的多元化和豐富性。此外，因為軟體致動器材料具有優(yōu)異的可循環(huán)性能和耐疲勞性能，通過多次響應(yīng)刺激后，我們發(fā)現(xiàn)致動器依然具有良好的形變，而且所隱藏和傳遞的信息內(nèi)容無論是通過肉眼觀察和紅外相機(jī)觀察依舊較清晰可見，因此該種信息假隱真技術(shù)具有良好的驅(qū)動穩(wěn)定性和可重復(fù)性。值得一提的是，涂覆在聚酰亞胺表面的任何長徑比的金納米棒都可以用純凈水進(jìn)行無痕擦除，又進(jìn)一步保證了信息的絕密性，保證了信息傳遞的安全性。該信息假隱真技術(shù)也存在一些本身的限制，因為該致動器是本身是基于熱驅(qū)動的，所以在溫度較高時致動器本身則會處于彎曲的狀態(tài)，此時所顯示的第一種信息則因致動器本身形變會失效，而第二種和第三種信息依舊可以起作用。總體而言，本研究為解決信息安全性問題提供了一個新的方案和思路，我們在未來研究中會繼續(xù)深入探索，進(jìn)一步提高該技術(shù)的實用性。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合信息隱密的安全性，提出了一種基于雙層軟體致動器的信息示假隱真技術(shù)。首先介紹了不同長徑比的金納米棒以及其優(yōu)越的光熱性能和光吸收的選擇性，在一定波長的激光照射下，相應(yīng)的金納米棒的光熱比其他長徑比的金納米棒高10 ℃以上，因此具有良好的光選擇性。進(jìn)一步探究了光熱雙層軟體致動器的驅(qū)動原理以及優(yōu)異的驅(qū)動性能，在1 000次循環(huán)中沒有明顯的性能衰減。最后，結(jié)合金納米棒優(yōu)異的光熱效應(yīng)以及雙層軟體致動器的形變，提出了一種新型的信息示假隱真技術(shù)，在肉眼里看到的假信息與紅外相機(jī)看到的真實信息基本上達(dá)到了信息示假隱真的效果，起到了基本的保護(hù)信息的作用。