地球上的大多數(shù)生物體經(jīng)過長期進(jìn)化選擇可根據(jù)所處的外界環(huán)境快速產(chǎn)生適應(yīng)性自身形變和/或可控運動以躲避危險、生存繁衍。例如，自然界中的植物如風(fēng)滾草在逃離干旱地區(qū)、昆蟲如金輪蜘蛛在躲避天敵襲擊等情況下，會選擇性地先將自身變形為球狀，進(jìn)而通過“翻滾”運動的形式快速離開當(dāng)前不利環(huán)境。通過人工合成材料的程序化可控設(shè)計、模仿甚至超越生物體的智能驅(qū)動行為，是仿生材料領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c及難點之一。軟體驅(qū)動材料可將外界物理刺激（熱、電、光、磁等）或化學(xué)刺激（pH、溶劑、離子強度等）轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼臋C械變形，在人造肌肉、柔性機器人等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在仿生無束縛形變方面，基于形狀記憶聚合物、液晶彈性體、高分子水凝膠等軟體驅(qū)動器已取得了重要的研究進(jìn)展，然而如何以溫和便捷的方法構(gòu)筑類似于生物體的兼具快速形變、可編程及運動功能的仿生軟體驅(qū)動材料與器件則仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。
針對上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員團隊開發(fā)了一種可編程性強、驅(qū)動速度快的光控?zé)o約束軟體驅(qū)動器，其不僅可在紅外光的控制下進(jìn)行可控的自身形變，還可通過限域回火處理實現(xiàn)仿生“翻滾”式快速運動和用作運輸物品的軟體機器人（Nat. Commun., 2020, 11, 4359, doi.org/10.1038/s41467-020-18214-0）。研究人員將前期研究在水/空氣界面組裝的大面積石墨烯薄膜（SGA）（ZL201510466050.3；Chem. Mater., 2016, 28, 7125；ACS Nano, 2019, 13, 4368；Nano Energy, 2019, 59, 422）轉(zhuǎn)移到熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于石墨烯的商用聚乙烯材質(zhì)的保鮮膜（PE）上得到SGA/PE雙層復(fù)合膜（圖1a-c）。所得SGA/PE在外界熱刺激下表現(xiàn)出通常雙層膜驅(qū)動器常見的驅(qū)動行為（圖1d），值得注意的是，若進(jìn)行如鋼鐵冶金行業(yè)的回火處理，該復(fù)合膜通過限域回火處理后，可得到初始構(gòu)型可調(diào)的SGA/PE驅(qū)動器，初始構(gòu)型變形曲率可通過SGA膜層數(shù)和回火處理溫度進(jìn)行精確調(diào)控（圖1e-g）。
圖1 a-c) SGA/PE雙層復(fù)合膜形貌；(d) 常規(guī)熱驅(qū)動變形；e) 限域回火處理變形；f-g) 限域回火形變調(diào)
尤其重要的是，通過與香港理工大學(xué)姚海民教授團隊在分子動力學(xué)模擬和有限元分析上的合作，表明SGA層具有非對稱彈塑性力學(xué)性能，SGA受拉伸時由于內(nèi)部各石墨烯片層之間不可逆的相對滑動而表現(xiàn)為高塑性，SGA受壓縮時由于可逆的屈曲褶皺變形表現(xiàn)為高彈性。在受限空間下的回火處理過程中正是SGA層非對稱彈塑性力學(xué)性能使得SGA/PE具有室溫構(gòu)型可編程性能，通過理論計算得到的回火處理的SGA/PE變形曲率和實際變形曲率具有良好的一致性（圖2）。
圖2 分子動力學(xué)模擬計算SGA層在拉伸和壓縮時的變形行為
進(jìn)一步通過圖案化的石墨烯薄膜和/或局部回火預(yù)處理策略，實現(xiàn)了對這種熱誘導(dǎo)變形系統(tǒng)的初始構(gòu)型的定制化編程設(shè)計，從而創(chuàng)建了具有三維復(fù)雜驅(qū)動的形變系統(tǒng)。基于這種優(yōu)異的形狀變形控制性能，研究者將SGA/PE應(yīng)用于開發(fā)各種熱或光響應(yīng)驅(qū)動器件，包括人工虹膜、人工睡蓮，仰臥起坐機器人等固定位置的自身變形體系（圖3）。
圖3 通過不同策略 (a-d圖案化SGA和PE層、e局域回火處理) 編程SGA/PE初始構(gòu)型；f) 虹膜、百合、仰臥起坐機器人、含羞草
特別需要提及的是，限域回火處理后的SGA/PE雙層膜在室溫下自發(fā)卷曲成多層卷構(gòu)型，可用于構(gòu)筑不受束縛的光控運動器件，其在外界側(cè)向紅外光照刺激下可實現(xiàn)在平地與模擬沙漠上的連續(xù)翻滾前進(jìn)運動（圖4a-b），還可組裝成四軸運動的摩托機器以及基于此的可運輸物品的軟體機器人（圖4c）。
圖4 a) 限域回火處理實現(xiàn)翻滾式運動行為，b) 仿金輪蜘蛛的沙漠滾動行為，c) 組裝摩托運動行為與運輸軟體機器人
該策略為開發(fā)具有可編程、無束縛的軟體機器人提供了一個新思路，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際合作局重點項目資助、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目、NSFC-浙江兩化融合聯(lián)合基金、香港研究資助局研究基金、中國博士后科學(xué)基金等的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-18214-0
