寧波材料所在基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光碳點(diǎn)凝膠的仿章魚(yú)協(xié)同變形變色運(yùn)動(dòng)機(jī)器人研究方面取得新進(jìn)展
在自然界中，許多生物通過(guò)進(jìn)化，不斷增強(qiáng)自身適應(yīng)環(huán)境的能力，從而能夠充分利用協(xié)同的形狀變形、顏色變化和運(yùn)動(dòng)，擁有在不同環(huán)境中交流、偽裝等能力。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們嘗試通過(guò)設(shè)計(jì)智能人工材料（特別是具有類(lèi)生物組織性能的軟濕聚合物凝膠）來(lái)復(fù)制這些神奇的多功能協(xié)同行為。這樣的研究不僅將有利于理解自然的多功能協(xié)同行為，而且使人們能夠整合和升級(jí)受生物啟發(fā)的多功能機(jī)器人。然而，實(shí)現(xiàn)高等生物的三功能協(xié)同或多功能協(xié)同，如復(fù)雜的協(xié)同形狀變形、顏色變化和運(yùn)動(dòng)，仍然是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與路偉研究員一直致力于智能熒光高分子水凝膠的研究（ACS Nano 2021, 6, 10415; Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100417; Aggregate, 2021, 1, e37; Adv. Intell. Syst. 2021, 2000239; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60,3640; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568等）近期，受到自然界生物在不同環(huán)境中交流、偽裝等能力的啟發(fā)（例如，章魚(yú)作為海洋最有智慧的生物之一，甚至被稱(chēng)為是海洋中的變色龍，可以通過(guò)改變形狀和顏色偽裝成珊瑚，當(dāng)有威脅感知時(shí)，章魚(yú)能夠從體管?chē)姵鏊?，噴射的水力?qiáng)勁，從而迅速向反方向移動(dòng)逃跑，同時(shí)改變它們的形狀和皮膚顏色，融入周?chē)h(huán)境），提出了一種新型多功能協(xié)同柔性機(jī)器人的制備策略。
科研人員提出利用具有可旋轉(zhuǎn)表面基團(tuán)的疏水碳點(diǎn)，制備具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光功能的聚丙烯酰胺/丙烯酸/碳點(diǎn)凝膠，并通過(guò)將凝膠與彈性體界面結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的溶劑響應(yīng)型雙層柔性驅(qū)動(dòng)器。在該設(shè)計(jì)中，乙二醇雙層柔性驅(qū)動(dòng)器在水中會(huì)自發(fā)進(jìn)行溶劑交換，導(dǎo)致凝膠的顏色從分散態(tài)藍(lán)光轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂瘧B(tài)紅光；同時(shí)，利用雙層驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)溶脹差異，可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)彎曲形變。科研人員進(jìn)一步將所制備的雙層柔性驅(qū)動(dòng)器與單層凝膠推動(dòng)器相連接，構(gòu)建了一種具有類(lèi)似章魚(yú)的仿生柔性游泳機(jī)器人，該機(jī)器人不僅可以協(xié)同形狀/顏色變化，還能通過(guò)溶劑替換過(guò)程產(chǎn)生的表面張力梯度實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。本研究為開(kāi)發(fā)先進(jìn)的多功能仿生智能柔性機(jī)器人提供了一個(gè)良好的策略。
該工作近期以題為“Aggregation Induced Emissive Carbon Dots Gels for Octopus-Inspired Shape/Color Synergistically Adjustable Actuator”的論文發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202107281。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（21774138、52073297、51773215）、中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019297）和王寬誠(chéng)教育基金（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的支持。
圖1 章魚(yú)遇險(xiǎn)時(shí)通過(guò)噴水迅速向反方向移動(dòng)逃跑，同時(shí)改變它們的形狀和皮膚顏色，以便于融入周?chē)h(huán)境
圖2 基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光的聚丙烯酰胺/丙烯酸/碳點(diǎn)凝膠的刺激響應(yīng)性熒光色變化
圖3 該凝膠在圖案化信息的寫(xiě)入和擦除領(lǐng)域的應(yīng)用展示
圖4 非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的溶劑響應(yīng)型雙層柔性驅(qū)動(dòng)器在溶劑交互刺激下的協(xié)同變形變色行為
圖5 基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光的聚丙烯酰胺/丙烯酸/碳點(diǎn)凝膠及其驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚(yú)在溶劑交互刺激下的協(xié)同變形變色運(yùn)動(dòng)行為
（高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 吳雙雙）