圖1. 自然界中的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)行為（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

科學(xué)家們一直在尋求這樣的可能性。近日，西湖大學(xué)工學(xué)院智能高分子材料實(shí)驗(yàn)室取得突破，他們從一株蔓藤的變形中得到靈感，開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)光控新系統(tǒng)。5月28日，Nature Communications報(bào)道了這一研究成果，西湖大學(xué)2018級(jí)博士研究生胡志明為第一作者，西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員呂久安為通訊作者。

對(duì)自然界“自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)”的研究很早就開(kāi)始了。最初科學(xué)家們制造的“人工智能材料”比較“笨”，在給予恒定的外部刺激下，會(huì)動(dòng)，但只會(huì)動(dòng)一次。比如光照形變材料，這種材料受到光照射后形狀會(huì)產(chǎn)生變化，達(dá)到一定程度后也會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，但無(wú)法自動(dòng)變回原來(lái)的狀態(tài)。如果想讓它再動(dòng)起來(lái)，只能實(shí)施人工干預(yù)，換一種光源去“刺激”它。更令科學(xué)家氣餒的是，這類(lèi)材料的動(dòng)作也十分機(jī)械，只能做上下，或左右，或彎曲等單一的模式運(yùn)動(dòng)，自由度很低。

之后，科學(xué)家和工程師們嘗試在合成材料系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)行為。他們使用過(guò)兩種響應(yīng)性材料，一種是Belousov-zhabotinsky反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的凝膠材料，另一種是光致形變的液晶高分子材料，但研究結(jié)果顯示，這兩種材料也各有各的局限性。水凝膠材料可以在溶液中反復(fù)地、周期地氧化還原，在這個(gè)過(guò)程中，凝膠可以完成從收縮到膨脹再收縮的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，但對(duì)環(huán)境要求過(guò)高，只能在溶液中進(jìn)行?；谝壕Ц叻肿硬牧系淖詣?dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則無(wú)法負(fù)荷重物，而生活中的工程應(yīng)用通常要求系統(tǒng)在有負(fù)重的情況下依然能正常工作，科學(xué)家們只能繼續(xù)尋找他們理想中的智能響應(yīng)材料。

從自然界得到靈感，也在自然界中尋找答案。

為了生存，自然界的很多生物都進(jìn)化出了高度自由形變的特點(diǎn)，比如蔓藤。這為智能高分子實(shí)驗(yàn)室的科研人員打開(kāi)了想象的空間。

蔓藤是植物界的“軟體動(dòng)物”，無(wú)法直立生長(zhǎng)，需要纏繞在另外一種植物上卷曲爬行，到達(dá)植物頂端去吸收陽(yáng)光。如果沒(méi)有纏繞和彎曲的本領(lǐng)，它就無(wú)法生存。

放大一點(diǎn)，仔細(xì)觀察彎曲的蔓藤，你會(huì)發(fā)現(xiàn)（圖2），蔓藤內(nèi)部結(jié)構(gòu)類(lèi)似上下雙層結(jié)構(gòu)，并且這兩層結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的速度不一樣。為什么蔓藤可以蜿蜒而上？當(dāng)一邊生長(zhǎng)較快時(shí)，植株就會(huì)發(fā)生形變，向著生長(zhǎng)較慢的一側(cè)彎曲、扭曲、卷曲和纏繞，以此控制自己的身姿和運(yùn)動(dòng)方向，攀爬植被始終向陽(yáng)而行。

圖2. 蔓藤植物高自由度的形變行為。

蔓藤高自由度的形變行為，給智能高分子團(tuán)隊(duì)很大的啟發(fā)。他們反向應(yīng)用這種形變機(jī)制，先利用模具做出螺旋線(xiàn)形的材料，然后拉伸轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，繼而通過(guò)化學(xué)方法把它的形狀固定。這樣一旦受到外界刺激，它就可以直接產(chǎn)生高自由度的形變狀態(tài)。

接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)讓人興奮而又期待。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種光控自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由三個(gè)基本元素組成：自纏繞纖維執(zhí)行器——作為光控“柔性彈簧”，懸吊的物體——作為負(fù)載，近紅外光源——為系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)能量和控制。結(jié)果顯示，這個(gè)簡(jiǎn)單的新系統(tǒng)，可以做出豐富的自動(dòng)循環(huán)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它不僅能實(shí)施三種基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)模式（視頻1）：傾斜循環(huán)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)和上下循環(huán)運(yùn)動(dòng)，而且首次實(shí)現(xiàn)了三種運(yùn)動(dòng)模式之間的自由切換，甚至是多模式復(fù)合協(xié)同的復(fù)雜自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)（視頻2）。也就是說(shuō)，在上下、左右運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)彎曲、扭曲、纏繞等行為，并且不用人工切換光源。而此前，在人造光控自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，產(chǎn)生兩種及以上模式的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的協(xié)同，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

可控的多模式循環(huán)運(yùn)動(dòng)、可負(fù)載工作、光機(jī)械可靠性高和功能可重構(gòu)，人工智能循環(huán)運(yùn)動(dòng)材料曾經(jīng)遇到的痛點(diǎn)，這一次幾乎都迎刃而解。

效法自然而用于自然，這樣的光控循環(huán)運(yùn)動(dòng)的新系統(tǒng)，對(duì)于生活中的我們來(lái)說(shuō)有何意義？

新系統(tǒng)中使用的近紅外光源，在太陽(yáng)光的光譜中占很大一部分，而太陽(yáng)能是一種低成本、用之不竭的綠色能源，如果這套系統(tǒng)能夠利用和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能而實(shí)現(xiàn)自維持的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，那對(duì)現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用意義重大。

新系統(tǒng)所展示的優(yōu)越性，讓我們對(duì)這樣的應(yīng)用充滿(mǎn)期待。

它可以在無(wú)需人為干預(yù)的情況下自動(dòng)捕獲太陽(yáng)能，并把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生持續(xù)的循環(huán)機(jī)械運(yùn)動(dòng)（圖3a，視頻3）。許多工程領(lǐng)域的專(zhuān)家們應(yīng)該對(duì)此很感興趣。

圖3. 能量捕獲與轉(zhuǎn)換（a）日常太陽(yáng)光輻射下，系統(tǒng)自動(dòng)捕獲太陽(yáng)能，并產(chǎn)生持續(xù)的循環(huán)機(jī)械運(yùn)動(dòng)（有視頻）；（b）基于法拉第電磁轉(zhuǎn)換原理的光電轉(zhuǎn)化示意圖。

既然這種新系統(tǒng)可以捕獲太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換機(jī)械運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能繼而也可以轉(zhuǎn)化為電能，因此，新系統(tǒng)還可以利用法拉第電磁轉(zhuǎn)換原理，將光信號(hào)自動(dòng)持續(xù)的轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（圖3b）。這可以啟發(fā)科學(xué)家和工程師們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)化裝置、太陽(yáng)能收集和轉(zhuǎn)換器件、自驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)傳感器等高精尖功能設(shè)備。

此外，新系統(tǒng)還可以用來(lái)構(gòu)筑微型、緊湊、輕便和低功耗特點(diǎn)的激光引導(dǎo)系統(tǒng)（圖4）。

圖4. 利用光控自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)激光（視頻4-對(duì)應(yīng)d、e、f過(guò)程）

從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用開(kāi)發(fā)，操作難度和生產(chǎn)成本常常是最卡脖子的地方。而自纏繞纖維執(zhí)行器（這個(gè)光控自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件），制備方法簡(jiǎn)單且可規(guī)?；?。整套系統(tǒng)的制造過(guò)程無(wú)需使用昂貴的設(shè)備，可以在任何材料實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，具有良好的通用性和實(shí)用性。

研究團(tuán)隊(duì)的最新實(shí)驗(yàn)還證明，這種材料十分耐用，循環(huán)上百萬(wàn)次之后幾乎沒(méi)有衰減。這對(duì)于產(chǎn)品工程師們而言，是否又是一大利好？

雖然目前我們無(wú)法一一羅列這套新系統(tǒng)究竟會(huì)給生活帶來(lái)哪些改變，但一定會(huì)有更多的后來(lái)者循跡而來(lái)，推動(dòng)這項(xiàng)研究在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，就像蔓藤一樣，不斷獲得更大的生長(zhǎng)空間。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23562-6

來(lái)源：西湖大學(xué)、X-MOL資訊

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