人造仿生材料的案例
生物力學(xué)與仿生材料新進(jìn)展！
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對(duì)溫和的條件下組裝而成，但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)，特別是由此帶來的獨(dú)特的變形與斷裂機(jī)制和強(qiáng)韌化機(jī)理。
近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室生物力學(xué)與仿生材料研究組劉增乾博士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目資助下，根據(jù)“認(rèn)識(shí)自然–理解自然–學(xué)習(xí)自然”的思路，從材料科學(xué)角度揭示自然界中典型生物材料的組織結(jié)構(gòu)及賦予其優(yōu)異性能的關(guān)鍵機(jī)理，提煉天然與人造材料共性的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而將其應(yīng)用于人造材料體系，通過仿生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人造材料的性能優(yōu)化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。
該研究組在系統(tǒng)闡明天然生物材料梯度設(shè)計(jì)的形式、原則及其起到的作用與機(jī)制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計(jì)原則，建立了組織結(jié)構(gòu)取向以及變形過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)再取向與材料力學(xué)性能之間的系統(tǒng)定量關(guān)系，闡明了梯度結(jié)構(gòu)取向與再取向?qū)αW(xué)性能的優(yōu)化機(jī)理，提煉了改善材料綜合力學(xué)性能的仿生設(shè)計(jì)新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強(qiáng)度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。
同時(shí)，該研究組首次發(fā)現(xiàn)，材料在加載過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。
展開 新一代的人造酶——擁有酶特性的納米材料
【引言】
天然酶所存在的諸多問題（比如價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性低以及難以儲(chǔ)存等）限制了他的使用，同時(shí)也刺激了多種人造酶的發(fā)展。在這些人造酶中，納米酶被認(rèn)為是新一代的酶類似物（擁有過氧化酶活性的磁性Fe3O4納米粒子于2007年被發(fā)現(xiàn)）。在2013年發(fā)表的第一篇納米酶的綜述中，納米酶被定義為擁有酶特性的納米材料。受天然酶啟發(fā)，納米酶擁有很多天然酶所不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如價(jià)格低廉、穩(wěn)定以及可大量制備。納米材料獨(dú)特的生化性質(zhì)不僅賦予了納米酶多種功能，還可以實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用。在過去的五年中，得益于納米技術(shù)、生物技術(shù)、催化科學(xué)和計(jì)算科學(xué)的迅速發(fā)展，擁有高性能酶活性的納米材料獲得了重大進(jìn)展，包括控制酶活性、解釋催化機(jī)理和擴(kuò)展應(yīng)用。目前為止，全世界有200多家研究機(jī)構(gòu)在積極從事納米酶研究，為其發(fā)展添磚加瓦。
【成果簡介】
南京大學(xué)魏輝教授課題組在Chem. Soc. Rev.上，發(fā)表了題為"Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzyme (Ⅱ)"的綜述。這篇綜述覆蓋了各種類型的納米酶及其在生物傳感、診療和環(huán)境補(bǔ)救中的應(yīng)用。除此之外，納米酶所面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展也在文章中被討論。
展開 多向晶格+3D打印：全新人造超材料輕便又堅(jiān)固
近期英國帝國理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)材料學(xué)最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強(qiáng)度增加但質(zhì)量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結(jié)合3D打印技術(shù)制成，而其中新型晶格則是根據(jù)強(qiáng)金屬合金的基本原理設(shè)計(jì)的。
注：網(wǎng)絡(luò)配圖
晶格結(jié)構(gòu)由重復(fù)節(jié)點(diǎn)和連接支柱組成，結(jié)合3D打印技術(shù)，制造出來的材料既輕便又堅(jiān)固。然而，一旦這些材料失效，會(huì)帶來災(zāi)難性后果，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。而失效的原因在于這些材料的結(jié)構(gòu)——晶格整體取向單一。
同樣的現(xiàn)象也存在于金屬單晶中，其結(jié)構(gòu)類似，內(nèi)部會(huì)沿特定平面發(fā)生滑移而變形。不過，在包含不同取向晶粒的多晶材料中，晶粒邊界有助于阻止正在成形的滑移和裂縫進(jìn)一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網(wǎng)絡(luò)配圖
此次，帝國理工學(xué)院科學(xué)家模擬多晶材料，設(shè)計(jì)了具有粒狀結(jié)構(gòu)的新型晶格狀超材料，使內(nèi)部晶格的不同區(qū)域具有不同的取向。
研究人員發(fā)現(xiàn)，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發(fā)生形變時(shí)，比傳統(tǒng)超材料更堅(jiān)固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強(qiáng)度可以通過縮小每個(gè)粒狀晶格區(qū)域的尺寸來增強(qiáng)。
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了在施壓后能夠扭變成不同構(gòu)型的特殊“變斑晶”，模仿的是晶體材料中類似的重排。綜合而言，這些成果將會(huì)為科學(xué)界帶來更加堅(jiān)固且適合于各種應(yīng)用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學(xué)家對(duì)物質(zhì)基礎(chǔ)性狀的理解程度有關(guān)，還與新理論及相關(guān)驗(yàn)證的效率有關(guān)，甚至與生產(chǎn)工藝、模擬工具的創(chuàng)新能力都息息相關(guān)。掌握其中的奧秘，學(xué)會(huì)調(diào)整某些參數(shù)，創(chuàng)造出符合生產(chǎn)、生活需求的全新材料，這就是化學(xué)家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日?qǐng)?bào)
展開 MIT新材料打造「人造突觸2.0」，模擬深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練提速100萬倍！
模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算速度很大程度上取決于「人造突觸」的傳輸速度。
麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)要解決的就是這個(gè)環(huán)節(jié)。他們之前已經(jīng)開發(fā)了一種人造模擬突觸，現(xiàn)在要做的是，搞個(gè)新材料，超越原來的老版本。
這次，他們?cè)谥圃爝^程中利用了一種實(shí)用的無機(jī)材料，讓前文提到的可編程電阻器的運(yùn)行速度達(dá)到了以前的版本的100萬倍，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了比人腦中的突觸快約100萬倍。
此外，這種材料還使電阻的能源效率極高。與早期版本的設(shè)備中使用的材料不同，新材料與硅制造技術(shù)兼容。這一變化使得在納米尺度上制造器件成為可能，并可能為整合到深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的商業(yè)計(jì)算硬件中鋪平道路。
這項(xiàng)研究論文已經(jīng)發(fā)表在Science上。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.abp8064
論文的通信作者、麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）的唐納教授Jesús A. del Alamo說：
「憑借這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，加上MIT.nano的強(qiáng)大的納米制造技術(shù)，我們已經(jīng)能夠把這些碎片放在一起，并證明這些設(shè)備本質(zhì)上是非常快的，可以在合理的電壓下運(yùn)行。」
「該設(shè)備的工作機(jī)制是將最小的離子--質(zhì)子--電化學(xué)插入絕緣氧化物中，以調(diào)節(jié)其電子傳導(dǎo)性。因?yàn)槲覀冇玫脑O(shè)備非常薄，所以可以通過使用強(qiáng)電場(chǎng)來加速這個(gè)離子的運(yùn)動(dòng)，并將這些離子設(shè)備推向納秒級(jí)操作」論文通信作者、核科學(xué)與工程系和材料科學(xué)與工程系的Breene M. Kerr教授Bilge Yildiz解釋說。
論文通信作者、巴特爾能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程系教授和材料科學(xué)與工程系教授Ju Li說：
「生物細(xì)胞中的動(dòng)作電位以毫秒級(jí)尺度上升和下降，因?yàn)榇蠹s0.1伏的電壓差受制于水的穩(wěn)定性。"
展開 
：可重復(fù)循環(huán)的超強(qiáng)多重響應(yīng)人造肌肉材料
人造肌肉材料一直以來在仿生設(shè)計(jì)和柔性機(jī)器人方面都有著巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)材料相比，聚合物基的人造肌肉材料擁有低密度、高彈性、易成型、低成本等優(yōu)勢(shì)。通過化學(xué)結(jié)構(gòu)以及聚合物構(gòu)型的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)大變形、自我修復(fù)、多重響應(yīng)等綜合性能。而在所有聚合物基人造肌肉材料中，基于形狀記憶性能（SME）的形狀記憶聚合物（SMP）有著獨(dú)一無二的研究價(jià)值。因?yàn)槠鋵?duì)于外界刺激產(chǎn)生的形變與刺激撤去之后的恢復(fù)行為對(duì)應(yīng)著肌肉的收縮與釋放過程。近年來，大部分有關(guān)形狀記憶聚合物的研究是以熱作為刺激源，但無論是熱刺激或電熱刺激都會(huì)帶來包括直接接觸、傳熱不均等問題，從而影響驅(qū)動(dòng)可控性。另一方面，在各類性轉(zhuǎn)記憶聚合物中，具有可逆循環(huán)特性的雙向與準(zhǔn)雙向性轉(zhuǎn)記憶聚合物無疑更有前途，如半結(jié)晶聚合物（SCP）和液晶彈性體（LCE）。而傳統(tǒng)的半結(jié)晶聚合物雖然具有較好的延展性與自修復(fù)性能，但是其驅(qū)動(dòng)響應(yīng)性與可控性遠(yuǎn)低于液晶彈性體；液晶彈性體雖然展現(xiàn)出良好的可控運(yùn)動(dòng)能力，但是較低的形變能力與脆性限制了其應(yīng)用環(huán)境。
圖1. 新型人造肌肉材料的特殊縫合結(jié)構(gòu)與多重響應(yīng)示意圖。
針對(duì)上述聚合物基人造肌肉材料的困境，
上海交通大學(xué)劉河洲研究員和
陳玉潔副研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種
基于偶氮苯基團(tuán)之間π-π堆疊的新型多重響應(yīng)人造肌肉材料。復(fù)合體系以含有偶氮苯官能團(tuán)的長鏈線性聚氨酯為基礎(chǔ)，類似針線穿過具有偶氮苯的液晶彈性體基體，形成了具有特殊縫合結(jié)構(gòu)的聚合物基形狀記憶材料（圖1a）。
展開 南林大研發(fā)生物質(zhì)“改性塑形”新材料 10分鐘秸稈“變身”不用膠人造板
近日，由南京林業(yè)大學(xué)周小凡教授研發(fā)的秸稈“改性塑形”生物質(zhì)新材料，能替代傳統(tǒng)人造板工藝中的木塑材料，并能有效提高人造板彎曲強(qiáng)度等基本屬性，避免使用了膠黏劑等對(duì)環(huán)境污染的化學(xué)物質(zhì)，還能運(yùn)用到個(gè)性家具等領(lǐng)域。
目前，傳統(tǒng)的人造板制造工藝需要膠黏劑，且膠合板、刨花板、纖維板等人造板中經(jīng)常運(yùn)用的木質(zhì)塑料在熱解過程中容易“變形”，不能保證彎曲和拉伸強(qiáng)度，吸水性能差，且對(duì)環(huán)境污染和人體健康存在危害，如被棄用，像苯和甲醛等揮發(fā)性化學(xué)物易被排放到大氣中，產(chǎn)生臭氧，影響生物的生長和人類的健康，甚至有致癌性。
走進(jìn)周小凡辦公室，便看到他辦公室上擺放著三種形態(tài)的新材料“模型”，首先是一小袋像麥粒形態(tài)的塑料顆粒映入眼簾，據(jù)了解，這就是“升級(jí)變形”前的基礎(chǔ)材料。據(jù)周小凡介紹，傳統(tǒng)的玉米秸稈是一種天然的高分子材料，但由于其熱分解溫度比較低，在280℃開始熱分解，沒有辦法利用熱塑再加工利用。新型的生物質(zhì)塑料粒子溫度只需保持在120—150度之間，就可以制備出新型的生物質(zhì)秸稈制品。
據(jù)了解，周小凡教授采取農(nóng)忙后廢棄的棉花秸稈以及混合板皮、鋸末和木粉等木材加工剩余物，采用特殊的制備工藝，使農(nóng)作物秸桿塑化，只需10分鐘，就可以研制出一款新型的生物質(zhì)“改性”材料，且具有“自塑化”、“不用膠”，彎曲性能強(qiáng)，吸水性能高，抗霉變、無甲醛等生態(tài)環(huán)保的性能，制備無甲醛無膠黏劑高密度人造板。
現(xiàn)場(chǎng)還有一堆硬度很強(qiáng)、防水性能高、類似地板的“升級(jí)”木材和一張薄薄的像葉片形狀的塑料形態(tài)薄膜。
展開 美國西北大學(xué)多材料3D打印仿生螺旋結(jié)構(gòu)
美國西北大學(xué)的Zaheri等利用Stratasys開發(fā)的多材料3D打印機(jī)Connex350對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生打印，借此研究螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發(fā)表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)甲蟲會(huì)因?yàn)椴煌A段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現(xiàn)不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護(hù)自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設(shè)計(jì)。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結(jié)構(gòu)形態(tài)：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對(duì)不同螺旋角度對(duì)結(jié)構(gòu)綜合性能的影響進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)及分析表明較低的單層螺旋角可產(chǎn)生改善的各向同性和增強(qiáng)的韌性，螺旋結(jié)構(gòu)具有較高的靈活性。
生物中有很多優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供嶄新的設(shè)計(jì)思路。類似這樣的螺旋結(jié)構(gòu)，3D打印為其研究提供了有效技術(shù)支撐，為仿生材料的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發(fā)展，仿生方面的研究將進(jìn)入全新的領(lǐng)域。
來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
展開 仿生材料的微組織結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對(duì)溫和的條件下組裝而成，但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)，特別是由此帶來的獨(dú)特的變形與斷裂機(jī)制和強(qiáng)韌化機(jī)理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結(jié)構(gòu)的再取向
中科院某科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地闡明了天然生物材料梯度設(shè)計(jì)的形式、原則及其起到的作用與機(jī)制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計(jì)原則，建立了組織結(jié)構(gòu)取向以及變形過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)再取向與材料力學(xué)性能之間的系統(tǒng)定量關(guān)系，通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強(qiáng)度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。
圖2 材料通過微觀組織結(jié)構(gòu)再取向?qū)崿F(xiàn)綜合力學(xué)性能的全面同步提升
同時(shí)該課題組發(fā)現(xiàn)：材料在加載過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調(diào)整自身的組織結(jié)構(gòu)與所受外力之間的取向關(guān)系，材料在拉伸條件下的剛度和強(qiáng)度逐步提高，同時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑逐漸偏離最大正應(yīng)力方向，因而斷裂韌性得以同步增強(qiáng)；而在壓縮條件下，材料的力學(xué)穩(wěn)定性與劈裂韌性也表現(xiàn)出同步增大的趨勢(shì)。因此，材料可以利用有限的變形實(shí)現(xiàn)其剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。
(a) 復(fù)合結(jié)構(gòu)在受到壓力之后逐漸偏離正應(yīng)力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來源：材料前沿科技微信公眾號(hào)（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
展開 用無梯度仿生技術(shù)對(duì)疊層復(fù)合材料方板開孔形狀優(yōu)化
用無梯度仿生技術(shù)對(duì)疊層復(fù)合材料方板開孔形狀優(yōu)化
劉毅 金峰
清華大學(xué)水利水電工程系
摘要:為了改善疊層復(fù)合材料方板孔周應(yīng)力分布,采用一種無梯度仿生技術(shù)——固定網(wǎng)格漸進(jìn)優(yōu)化方法，建立了等限制Tsai-Hill準(zhǔn)則——即使孔周的限制Tsail-Hill值更加均勻，來求解切孔形狀優(yōu)化問題。用各向同性材料方板在二軸拉力荷載下單孔形狀優(yōu)化的例子驗(yàn)證了方法的正確性。研究了按照[+/-45度/0度/90度]對(duì)稱擱置的碳纖維/環(huán)氧樹脂材料準(zhǔn)各向同性疊層復(fù)合材料方板受單位和拉減荷載的例子。優(yōu)化后的控形在Tsail-Hill強(qiáng)度值的均勻度上比正方形開孔有了顯著的改善，計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)的漸進(jìn)優(yōu)化方法更精確和更光滑。
關(guān)鍵詞：疊層復(fù)合材料，固定網(wǎng)格，漸進(jìn)優(yōu)化方法，形狀優(yōu)化
內(nèi)容簡介：
1 基于等限制Tsail-Hill值準(zhǔn)則的FG ESO方法
2 本文方法驗(yàn)證
3 準(zhǔn)各向同性層合方板開孔形狀優(yōu)化
3.1 工況 1
3.2 工況 2
4 總結(jié)
用無梯度仿生技術(shù)對(duì)疊層復(fù)合材料方板開孔形狀優(yōu)化.pdf
展開 受“墨魚”仿生結(jié)構(gòu)啟發(fā)制備具有優(yōu)異熱管理性電磁屏蔽的復(fù)合材料
此外，EMI屏蔽功能材料吸收電磁波并將其轉(zhuǎn)化為熱量，這也會(huì)影響電子設(shè)備的工作溫度。因此，迫切需要實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異熱管理和電磁干擾屏蔽效果的雙功能材料。
數(shù)十億年來，生物進(jìn)化出了復(fù)雜的功能系統(tǒng)，給人類留下了許多值得學(xué)習(xí)的場(chǎng)景。然而，對(duì)墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發(fā)出的電磁波。值得注意的是，當(dāng)捕食者靠近時(shí)，墨魚會(huì)通過凍結(jié)呼吸來屏蔽其生物電磁場(chǎng)，從而保護(hù)自己不被發(fā)現(xiàn)。
受墨魚在被捕食風(fēng)險(xiǎn)時(shí)凍結(jié)呼吸屏蔽生物電磁場(chǎng)機(jī)制的啟發(fā)，可以合理設(shè)計(jì)一種基于自變形液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時(shí)提供電子器件的自適應(yīng)熱管理。液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)的收縮可以屏蔽電子操作過程中產(chǎn)生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風(fēng)險(xiǎn)的情況下屏蔽生物電磁場(chǎng)一樣。同時(shí)，收縮的液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)還可以增強(qiáng)電子器件的散熱性能。
02
成果掠影
近期，上海交通大學(xué)鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風(fēng)險(xiǎn)時(shí)凍結(jié)呼吸屏蔽生物電磁場(chǎng)機(jī)制的啟發(fā)設(shè)計(jì)一種具有自適應(yīng)電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動(dòng)態(tài)自變形特性，從而使液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)的導(dǎo)熱/導(dǎo)電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導(dǎo)熱系數(shù)可提高到10.3 W/mK，電導(dǎo)率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導(dǎo)電性的提高有助于增強(qiáng)LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內(nèi)，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。
展開 四川大學(xué)鄒華維教授團(tuán)隊(duì)《AFM》：空間極端環(huán)境用仿生可逆粘附材料
大自然帶給了材料學(xué)家們無限的設(shè)計(jì)靈感，從荷葉、竹、木等的微觀多級(jí)結(jié)構(gòu)及特殊功能，到具有突出力學(xué)性能的貝殼珍珠母層、蜘蛛絲，以及具有水下超強(qiáng)粘附的貽貝蛋白，一系列高性能及功能化聚合物仿生材料受此啟發(fā)，相繼被研發(fā)并得到實(shí)際應(yīng)用。壁虎、蜥蜴等動(dòng)物腳趾因其可以在物體表面產(chǎn)生強(qiáng)粘附并可輕易快速脫附而受到了人們的廣泛關(guān)注。研究表明，這一獨(dú)特的可逆粘附能力主要依賴于動(dòng)物腳趾表面精細(xì)的多級(jí)剛毛結(jié)構(gòu)，并基于范德華力及毛細(xì)作用力等得以實(shí)現(xiàn)（圖1a）。受此可逆粘附原理啟發(fā)，過去二十年，研究人員重點(diǎn)圍繞物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備了一系列性能優(yōu)異的仿生可逆粘附材料，并在精密器件轉(zhuǎn)運(yùn)、智能機(jī)器人、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。由于仿生粘附材料展現(xiàn)出的可逆特性及范德華力普適性相互作用，其在空間微重力、真空環(huán)境及多種材質(zhì)表面均能良好發(fā)揮其可逆粘附功能，因此在空間技術(shù)，如航天器及裝置在軌操作、艙內(nèi)及艙外機(jī)器人行走策略、空間碎片以及在軌飛行物捕捉等領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。近年來，美、歐等研究人員圍繞這些應(yīng)用展開了先期探索工作（圖1b）。然而，空間在軌高低溫及輻射等極端環(huán)境條件對(duì)聚合物基仿生粘附材料的使用性能將產(chǎn)生顯著影響，開發(fā)適用于空間環(huán)境的仿生可逆粘附材料，將對(duì)該類材料走向空間實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展和革新具有重要意義。
圖1 具有可逆粘附能力的生物微結(jié)構(gòu)及其仿生材料空間應(yīng)用示意。（a）不同尺度下壁虎腳趾表面微結(jié)構(gòu)形貌（圖片來源：PNAS, 2005, 102 (2), 385-389）；（b）仿生可逆粘附材料用于空間站外部檢查機(jī)器人構(gòu)想圖（圖片來源：A. Parness, etc., presented at AIAA SPACE Conf. and Expo.
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北林郝翔CCS Chem：化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)主客體仿生組裝材料
有別于傳統(tǒng)熱力學(xué)自組裝的方式，模擬這種化學(xué)能量驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝是真正構(gòu)造仿生材料的基礎(chǔ)。
圖1. 化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的競爭型非平衡主客體系統(tǒng)策略示意圖
北京林業(yè)大學(xué)青年教師郝翔長期致力于化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)系統(tǒng)材料研究，在前期相繼實(shí)現(xiàn)ATP能量驅(qū)動(dòng)的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態(tài)聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)流體的基礎(chǔ)上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發(fā)了一類ATP驅(qū)動(dòng)的仿生“競爭”型非平衡態(tài)主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統(tǒng)能量分子-ATP雙重角色：化學(xué)能量單元和“耗散”型競爭客體，實(shí)現(xiàn)了ATP驅(qū)動(dòng)的主客體非平衡態(tài)系統(tǒng)的建立，并成功將此策略運(yùn)用于化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
該策略通過合成一系列仿生受體環(huán)糊精結(jié)構(gòu)糖單元（β-CD），使其對(duì)能量分子ATP具有非常高的結(jié)合作用，結(jié)合常數(shù)達(dá)到106 M-1；而環(huán)糊精結(jié)構(gòu)糖單元對(duì)通常的客體分子如金剛烷（ADA），其結(jié)合常數(shù)只有104 M-1。利用模型化合物實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ATP分子加入到β-CD/ADA中時(shí)，ATP會(huì)迅速破壞β-CD/ADA的結(jié)合而以“鳩占鵲巢”方式占據(jù)主體的空腔，但ATP緩慢酶解后的產(chǎn)物如ADP或者AMP卻無法實(shí)現(xiàn)對(duì)β-CD/ADA結(jié)合的破壞（圖1）。
展開 復(fù)旦大學(xué)梅永豐教授課題組報(bào)道新型仿生水黽的自驅(qū)動(dòng)智能材料
通過設(shè)計(jì)活性水凝膠材料的形狀、材料分布的非對(duì)稱性和周邊環(huán)境的表面親疏水性，研究團(tuán)隊(duì)控制該活性水凝膠材料進(jìn)行各種可控軌跡和定向的運(yùn)動(dòng)，例如模擬球類運(yùn)動(dòng)和走出迷宮運(yùn)動(dòng)（圖1E）等。進(jìn)一步，通過引入新的刺激響應(yīng)性化學(xué)組分，活性水凝膠可以在自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間同步實(shí)現(xiàn)變形，從而智能化地改變相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡；例如通過變形暴露不同潤濕特性的側(cè)邊，實(shí)現(xiàn)類似于自然界水黽的爬岸動(dòng)作。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)潤濕特性的水凝膠材料，賦予其新的“活性”運(yùn)動(dòng)特征，展現(xiàn)了一種新穎的致動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)行為。
該工作為柔性軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究提供了新的材料選擇，豐富了水凝膠材料的種類，從而可為其在藥物緩釋、組織工程等重要領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的路徑。
文章信息：Hong Zhu, Borui Xu, Yang Wang, Xiaoxia Pan, Zehua Qu, Yongfeng Mei*. Self-powered locomotion of a hydrogel water strider, Science Robotics, 2021, 6: eabe7925.
文章鏈接：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe7925
來源：復(fù)旦大學(xué)材料系
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清華大學(xué)梁瓊麟教授團(tuán)隊(duì)Nat. Protoc.
展開 寧波材料所在非對(duì)稱仿生智能水凝膠驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域取得系列進(jìn)展
圖2 （A）具有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)和智能變色協(xié)同功能的水凝膠“仿生章魚”示意圖；（B）“仿生章魚”在外界環(huán)境刺激下的形變-色變協(xié)同過程；（C）“仿生章魚”的可逆復(fù)原過程
課題組關(guān)于智能水凝膠復(fù)雜驅(qū)動(dòng)及其與其他智能功能協(xié)同的一系列研究，為制備新型的智能水凝膠提供了新思路，推動(dòng)了智能及仿生系統(tǒng)向更高的智能級(jí)別邁進(jìn)，具有重要的科學(xué)意義和巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學(xué)基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持（2017337）。
來源：寧波材料所
展開 《先進(jìn)功能材料》首爾國立大學(xué)設(shè)計(jì)出具有變色能力的仿生柔性致動(dòng)器
在一篇發(fā)表于Advanced Functional Materials的論文中，首爾國立大學(xué)的Jinhyeong Kwon博士和Seung Hwan Ko教授及其同事設(shè)計(jì)了具有仿生致動(dòng)能力的色移各向異性柔性致動(dòng)器（CASA）。
Hyeonseok Kim說道：“傳統(tǒng)熱操作柔性致動(dòng)器具有局限性，因?yàn)槠涔δ苋Q于整個(gè)設(shè)備的幾何形狀，并且加熱器的設(shè)計(jì)很復(fù)雜。然而，利用聚合物的各向異性熱膨脹特性，我們可以通過簡單地改變聚合物的方向來輕松地編制程序。“
具有不同縱橫比的CASA可以在加熱時(shí)以相同的曲率在相同方向上彎曲，而且在冷卻后恢復(fù)到初始形狀。通過將低密度聚乙烯薄膜（LDPE膜）的縱向方向相對(duì)于致動(dòng)器的縱向方向改變至90°，在寬度方向上會(huì)產(chǎn)生扭曲和彎曲。
Hyeonseok Kim說：“通過在上述致動(dòng)聚合物上應(yīng)用熱敏顏料，我們可以成功模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和著色。這可能會(huì)在仿生柔性致動(dòng)器領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801847
來源：Wiley
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