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    寧波材料所在基于聚集誘導發光碳點凝膠的仿章魚協同變形變色運動機器人研究方面取得新進展
    作者:,日期:2021-08-03

      在自然界中,許多生物通過進化,不斷增強自身適應環境的能力,從而能夠充分利用協同的形狀變形、顏色變化和運動,擁有在不同環境中交流、偽裝等能力。長期以來,科學家們嘗試通過設計智能人工材料(特別是具有類生物組織性能的軟濕聚合物凝膠)來復制這些神奇的多功能協同行為。這樣的研究不僅將有利于理解自然的多功能協同行為,而且使人們能夠整合和升級受生物啟發的多功能機器人。然而,實現高等生物的三功能協同或多功能協同,如復雜的協同形狀變形、顏色變化和運動,仍然是相當具有挑戰性的。

      近年來,中國科學院寧波材料技術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境中交流、偽裝等能力的啟發(例如,章魚作為海洋最有智慧的生物之一,甚至被稱為是海洋中的變色龍,可以通過改變形狀和顏色偽裝成珊瑚,當有威脅感知時,章魚能夠從體管噴出水流,噴射的水力強勁,從而迅速向反方向移動逃跑,同時改變它們的形狀和皮膚顏色,融入周圍環境,提出了一種新型多功能協同柔性機器人的制備策略。

      科研人員提出利用具有可旋轉表面基團的疏水碳點,制備具有聚集誘導發光功能的聚丙烯酰胺/丙烯酸/碳點凝膠,并通過將凝膠與彈性體界面結合,設計了一種具有非對稱結構的溶劑響應型雙層柔性驅動器。在該設計中,乙二醇雙層柔性驅動器在水中會自發進行溶劑交換,導致凝膠的顏色從分散態藍光轉變為聚集態紅光;同時,利用雙層驅動器兩側溶脹差異,可實現不對稱彎曲形變。科研人員進一步將所制備的雙層柔性驅動器與單層凝膠推動器相連接,構建了一種具有類似章魚的仿生柔性游泳機器人,該機器人不僅可以協同形狀/顏色變化,還能通過溶劑替換過程產生的表面張力梯度實現自主運動。本研究為開發先進的多功能仿生智能柔性機器人提供了一個良好的策略。

      該工作近期以題為“Aggregation Induced Emissive Carbon Dots Gels for Octopus-Inspired Shape/Color Synergistically Adjustable Actuator”的論文發表在Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202107281。本研究得到了國家自然科學基金(21774138、52073297、51773215)、中德合作國際交流項目(M-0424)、中科院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-SLH036)、中國科學院青年創新促進會(2019297)和王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。

     

    圖1 章魚遇險時通過噴水迅速向反方向移動逃跑,同時改變它們的形狀和皮膚顏色,以便于融入周圍環境

     

    圖2 基于聚集誘導發光的聚丙烯酰胺/丙烯酸/碳點凝膠的刺激響應性熒光色變化 

    圖3 該凝膠在圖案化信息的寫入和擦除領域的應用展示

     

    圖4 非對稱結構的溶劑響應型雙層柔性驅動器在溶劑交互刺激下的協同變形變色行為

     

    圖5 基于聚集誘導發光的聚丙烯酰胺/丙烯酸/碳點凝膠及其驅動器的仿生章魚在溶劑交互刺激下的協同變形變色運動行為

      (高分子與復合材料實驗室 吳雙雙)

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