跳躍是自然界生物的一種非常有效的運動手段，可以在瞬間穿越中長距離，以實現(xiàn)捕獵及逃避被獵捕的目的。自然界生物跳躍的機理主要有兩種，長腿動物(比如袋鼠和青蛙)主要依靠杠桿作用，使它們能夠用較少的力量跳躍同樣的距離；一些短腿或無腿動物(比如果蠅幼蟲和跳蚤)依靠快速彈射動作釋放儲存的能量來實現(xiàn)跳躍；還有一些昆蟲(比如蚱蜢和沫蟬)同時利用這兩種設(shè)計理念(圖1)。其中，磕頭蟲是一種有趣的昆蟲，當(dāng)被人類捉住時，它們會不斷地用力向前傾斜頭部，仿佛在進行一場無聲的“磕頭”儀式懇求釋放。原來磕頭蟲的前胸背板具有非凡的靈活性。在其前胸腹板的中央稍后部位，有一個尖銳的刺狀結(jié)構(gòu)。每當(dāng)它的頭部與胸部向腹部彎曲時，這個突出的部分就會巧妙地嵌入到胸腹前緣的溝槽中。當(dāng)它再次挺胸時，突出體從溝槽中彈射出來，撞擊地面，產(chǎn)生的后沖力足以使其彈跳起來掙脫。由此可見，磕頭蟲那看似虔誠的“磕頭”行為，并非出于對人類的求饒，而是一種本能的自我防衛(wèi)機制，用以擺脫束縛。如視頻1所示當(dāng)將它肚皮朝上放在地面，他會來一個鯉魚打挺彈射出去，掙脫捕食者。
受這些自然界跳躍機制的啟發(fā)，科學(xué)家們利用新型材料和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，模仿生物系統(tǒng)中的快速能量存儲和釋放過程，制造出了多種創(chuàng)新的跳躍機器人。其中，光響應(yīng)驅(qū)動器具有成本效益高、無線驅(qū)動能力強和響應(yīng)速度快等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。偶氮苯液晶(LCs)因其偶氮苯介質(zhì)的反-順式光異構(gòu)化而成為一種有前途的光響應(yīng)材料。基于偶氮苯的致動器已從基本的彎曲、扭轉(zhuǎn)運動發(fā)展到在微型機器人和液體運輸中的新型應(yīng)用。但是，基于偶氮苯的光致動器的高效跳躍行為仍相對缺乏探索。
中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士、王京霞研究員團隊在前期的工作中，通過設(shè)計制備一面為光響應(yīng)偶氮苯均質(zhì)膜，一面為偶氮苯反蛋白石的具有Janus結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)驅(qū)動材料，實現(xiàn)了在液相中的光驅(qū)動性能研究；利用光化學(xué)/光熱模式的協(xié)同驅(qū)動產(chǎn)生多個驅(qū)動方向，具有更大的驅(qū)動力 (Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2105728; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 12383-12392; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 1727-1739)
近日，該研究團隊受具有特殊卡扣結(jié)構(gòu)的磕頭蟲啟發(fā)，他彎曲身體積蓄彈性勢能，然后身體猛然伸直釋放能量實現(xiàn)瞬時跳躍的啟發(fā)，設(shè)計了類磕頭蟲卡扣結(jié)構(gòu)的光跳躍材料：通過選用具有熱弛豫時間短的偶氮苯分子，制備具有展曲(splay)取向的偶氮苯膜材料，開發(fā)了一種Janus光驅(qū)動跳躍軟機器人，在紫外線照射下，它能在66.8ms內(nèi)完成一次完整的跳躍，其跳躍高度可達35個體長(BL)，起飛速度為670 BL/s。所制備的Azo-LCN 薄膜應(yīng)力為36.27 兆帕，應(yīng)變?yōu)?/span>6.5%，可循環(huán)使用50 次以上。這項研究將有助于設(shè)計新型致動器和拓寬偶氮苯致動器的應(yīng)用領(lǐng)域，可能為探索、搜索和救援等新應(yīng)用提供思路。所采用的偶氮苯分子(命名為Azo-A)具有較短的熱弛豫時間(其在90 ℃ 時的半衰期小于1 s)，能夠在光的作用下快速彎曲和恢復(fù)，從而能產(chǎn)生快速自主恢復(fù)的連續(xù)跳躍行為(視頻2)。樣品的splay取向是將樣品的一側(cè)分子采取平行取向(PA)而另一側(cè)分子采取垂直取向(VA)的模式，從而使樣品在光刺激下產(chǎn)生向PA側(cè)的凈彎曲變形。
圖1. 自然界中跳躍的動物。(a) 袋鼠，(b) 青蛙，(c) 果蠅幼蟲，(d) 跳蚤，(e) 蚱蜢，(f) 沫蟬。
圖6. (a) 在紫外線(1.75 W/cm2)的刺激下，條帶機器人可以通過跳躍跳上20 mm高的樓梯，高速攝像機對此進行了記錄。(b) 在高速攝像機的記錄下，該條紋機器人可以模擬投石器，并成功投擲出一個小物體。(c) 本文使用的薄膜跳躍高度和跳躍速度與文獻比較，本研究提出的機器人可跳躍至35 BL的高度，跳躍速度可達0.67 m/s。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202421111
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