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  隨著人工智能技術的飛速發展，智能材料作為一種能感知外部刺激，分析、識別、判斷并適當處理且具備一定執行能力的新型功能材料，將成為支撐未來高科技發展的第四代材料。近年來，天津大學封偉教授研究團隊圍繞“光驅動軟體微型機器人”領域開展了一系列代表性工作，將多種光刺激響應形狀記憶材料應用于不同形狀的軟體微型機器人，并通過光能與機械能的轉變實現了可控驅動。

  近日，天津大學封偉教授和馮奕鈺研究員在光驅動軟體機器人領域取得重要研究進展，利用多重氫鍵超分子聚合物作為刺激響應形狀記憶材料，成功制備了兼具高可控、高穩定和快速自修復功能的光驅動軟體機械臂。通過光誘導可逆形變，實現了機械臂可控“抓取”和“釋放”物體，并在驅動循環過程中實現了機械臂的快速自修復。該研究成果以“Controllable and Stable Deformation of a Self-Healing Photo-Responsive Supramolecular Assembly for an Optically Actuated Manipulator Arm”為題，作為封面亮點發表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29909）上。

  感知、響應、可控與自修復功能是智能材料的核心。光刺激響應形狀記憶材料是構建光驅動智能機器人的重要材料之一，其中光誘導可逆形變的可控性和修復性能是決定其在光驅動軟體機器人中應用的關鍵。目前已經報道了多種基于超分子組裝體系的智能光驅動器，但受光敏分子異構化轉變與相互作用的限制，該研究仍然面臨巨大的挑戰：如何通過限制結構回復提高光驅動形變的穩定性，如何在驅動過程中實現快速自修復性能，達到精確調控與循環穩定驅動的兼顧的目標。

  多年來，封偉教授團隊在軟體機器人領域開展了一系列代表性工作，利用刺激響應聚合物，制作了多種紅外光（ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 10882、J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16453）、溫度和濕度響應（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 4066）的軟體驅動器。在此基礎上，研究人員以脲基嘧啶酮衍生物作為超分子基團，制備了含多重氫鍵的四羧基偶氮苯/聚丙烯酸超分子組裝體。多重氫鍵作用不僅限制了順式結構在聚合物基體內的自發回復（半衰期達到120 小時），同時促進了界面處的應力轉移，達到了光驅動可逆形變的目標（圖1），而且有利于超分子組裝體實現快速自修復。同時，通過優化偶氮苯在超分子聚合物中的順反異構體的比例，實現了光驅動形變及其結構回復程度與速率的控制。

圖1. 偶氮基光響應超分子組裝體的（a）可逆形變及（b）其隨溫度變化過程

  研究顯示，刺激響應超分子組裝體能在綠光誘導下能發生不同角度（90o-170o）快速彎曲形變，其速率可達33.75°/s，并且在10天之內保持良好的形狀穩定性；而且在紫外光照射下能恢復到初始狀態（27°/s），在50個循環后仍然具備良好的可逆性，實現了高可控性和高穩定性的兼顧。研究人員制作了基于偶氮超分子組裝體的軟體機械臂，在優化其形狀的基礎上，利用綠/紫光的交替驅動，實現了軟體機械臂循環可控“抓取”、“釋放”和“移動”物體（圖2）。并且軟體機械臂能在交替運動過程中實現斷裂處的快速自修復（6分鐘內，拉伸強度恢復到初始的95%）。光驅動機械臂兼具高可控、高穩定和快速自修復功能，為未來設計光驅動智能軟體微型機器人提供了重要的研究方向。

圖2. 光驅動軟體機械臂“抓取”、“釋放”和“移動”物體過程

  該研究成果近日發表于ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29909），第一作者是司倩宇碩士，通訊作者是馮奕鈺研究員，該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目和面上項目的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.8b08025