Abstract The ability to achieve simultaneous intrinsic deformation with fast response in commercially available materials that can safely contact skin continues to be an unresolved challenge for artificial actuating materials. Rather than using a microporous structure, here we show an ambient-driven actuator that takes advantage of inherent nanoscale molecular channels within a commercial perfluorosulfonic acid ionomer (PFSA) film, fabricated by simple solution processing to realize a rapid response, self-adaptive, and exceptionally stable actuation. Selective patterning of PFSA films on an inert soft substrate (polyethylene terephthalate film) facilitates the formation of a range of different geometries, including a 2D (two-dimensional) roll or 3D (three-dimensional) helical structure in response to vapor stimuli. Chemical modification of the surface allowed the development of a kirigami-inspired single-layer actuator for personal humidity and heat management through macroscale geometric design features, to afford a bilayer stimuli-responsive actuator with multicolor switching capability.

3D cellular graphene films with open porosity, high electrical conductivity, and good tensile strength, can be synthesized by a method combining freeze-casting and filtration. The resulting supercapacitors based on 3D porous reduced graphene oxide (RGO) film exhibit extremely high specific power densities and high energy densities. The fabrication process provides an effective means for controlling the pore size, electronic conductivity, and loading mass of the electrode materials, toward devices with high energy-storage performance. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

A new photothermal coupling agent for photothermal ablation (PTA) therapy of tumors is developed based on ultrathin PEGylated W18O49 nanowires. After being injected with the nanowire solution, the in vivo tumors exhibit a rapid temperature rise to 50.0 ± 0.5 °C upon irradiation with NIR laser light at a safe, low intensity (0.72 W cm(-2)) for 2 min (left-hand mouse in the figure),), resulting in the efficient PTA of cancer cells in vivo in 10 min.

With the increasing potential of smart clothing, the demand for generating energy directly in the tissue fibers has prompted for increased research in the field of energy harvesters based on wearable nanogenerators. Current challenges remain in the combination of high output performance, functionalization, and importantly wearing comfort. Herein, an all-fiber hybrid piezoelectric-enhanced triboelectric nanogenerator fabricated by electrospinning silk fibroin and poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nanofibers on conductive fabrics is presented. Due to the large specific surface area of nanofibers and the extraordinary ability of silk fibroin to donate electrons in triboelectrification, the hybrid nanogenerator shows outstanding electrical performance, with a power density of 310 µW/cm2. This novel all-fiber configuration provides all benefits of ordinary fabrics having flexible appearance and good air permeability, and moreover it can be custom embedded in clothes in any desirable size and shape. Furthermore, the fabricated device allows identifying various types of body motion by a correlation between gesture and corresponding electrical signal. As potential application field, we foresee an autonomous wearable fall alert microsystem for elderly people and persons working in high risk areas.

Origami-inspired active graphene-based paper with programmed gradients in vertical and lateral directions is developed to address many of the limitations of polymer active materials including slow response and violent operation methods. Specifically, we used function-designed graphene oxide as nanoscale building blocks to fabricate an all-graphene self-folding paper that has a single-component gradient structure. A functional device composed of this graphene paper can (i) adopt predesigned shapes, (ii) walk, and (iii) turn a corner. These processes can be remote-controlled by gentle light or heating. We believe that this self-folding material holds potential for a wide range of applications such as sensing, artificial muscles, and robotics.

A simple-to-fabricate, high-performance, wearable all-fiber triboelectric nanogenerator (TENG)-based insole composed of electrospun piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofibers sandwiched between a pair of conducting fabric electrodes that effectively harvests energy during human walking is reported. The surface of the nanofibers is roughened with secondary nanostructure to enhance insole performance. The maximum output voltage, instantaneous power and output current from the insole reach 210 V, 2.1 mW and 45 μA, respectively. The role of the piezoelectric effect in the electrospun PVDF nanofibers in this TENG-based insole is then systematically investigated. This device is shown to be a reliable power source that can be used to light up 214 serially connected light-emitting diodes directly. The soft fiber-based electric power generator demonstrated in this paper is capable of meeting the requirements of wearable devices because of its efficient energy-conversion performance, high durability, user comfort, and low cost.

A facile and passive multiply flexible thin-film sensor is demonstrated based on thermoelectric effects in graphene. The sensor is highly conductive, free-standing, flexible, and elastic. It senses heat and cold, and measures heated/cooled areas; it also discerns human touch from other pressures, locates human touch, and measures pressure levels. All of these sensing abilities are demonstrated without any internal/external power supply.

Getting the most out of muscles Materials that convert electrical, chemical, or thermal energy into a shape change can be used to form artificial muscles. Such materials include bimetallic strips or host-guest materials or coiled fibers or yarns (see the Perspective by Tawfick and Tang). Kanik et al. developed a polymer bimorph structure from an elastomer and a semicrystalline polymer where the difference in thermal expansion enabled thermally actuated artificial muscles. Iterative cold stretching of clad fibers could be used to tailor the dimensions and mechanical response, making it simple to produce hundreds of meters of coiled fibers. Mu et al. describe carbon nanotube yarns in which the volume-changing material is placed as a sheath outside the twisted or coiled fiber. This configuration can double the work capacity of tensile muscles. Yuan et al. produced polymer fiber torsional actuators with the ability to store energy that could be recovered on heating. Twisting mechanical deformation was applied to the fibers above the glass transition temperature and then stored via rapid quenching. Science , this issue p. 145 , p. 150 , p. 155 ; see also p. 125

Quasi-solid-state micro-supercapacitors with cellular graphene film as the active material and polyvinyl alcohol/H₃PO₄as the gel electrolyte have been fabricated. The 3D porous graphene films not only serve as high performance supercapacitor electrodes, but also provide an abundant ion reservoir for the gel electrolyte.