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  自然界中的水棲生物能夠通過(guò)多種運(yùn)動(dòng)方式在液體介質(zhì)中自由運(yùn)動(dòng)，如魚(yú)類(lèi)鰭的擺動(dòng)、海龜四肢的拍打、頭足類(lèi)動(dòng)物的噴氣推進(jìn)等。受到水棲軟體生物的啟發(fā)，近年來(lái)，研究人員利用智能軟材料開(kāi)發(fā)出了一系列能夠響應(yīng)外界刺激的水棲軟體機(jī)器人，它們?cè)谕饨绱碳は拢ㄈ珉妶?chǎng)、磁場(chǎng)、光、熱、濕度等）能夠在水中或水面上運(yùn)動(dòng)。水上行走是自然界中某些生物特有的運(yùn)動(dòng)方式，例如，水黽的腿上覆蓋著大量定向的剛毛和細(xì)小的納米溝槽，這種顯著的微納分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)賦予其超疏水性，使它們能夠毫不費(fèi)力地站立在水面上；此外，水黽會(huì)像劃槳一樣擺動(dòng)它們的腿，在水中制造出螺旋狀旋渦，借助旋渦的推動(dòng)力在水面上快速行走。受水黽水上行走機(jī)制的啟發(fā)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)并制備了電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的水上行走軟體機(jī)器人。光能作為一種綠色能源，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、時(shí)空等精確控制，然而，如何實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)水上行走軟體機(jī)器人是目前所面臨的挑戰(zhàn)。

  近日，天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)（FOCC實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)發(fā)了一種仿生水黽光驅(qū)動(dòng)水上行走軟體機(jī)器人，將光響應(yīng)液晶聚合物（LCN）薄膜作為“腿”為其提供驅(qū)動(dòng)力，而具有微納分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面為其提供支持力使其能夠漂浮在水面上。作者首先設(shè)計(jì)并制備了可紫外光聚合的超小金納米棒單體（MiniGNRs nanomonomer），將超小金納米棒原位交聯(lián)到LCN中獲得超小金納米棒復(fù)合液晶薄膜（MiniGNRs-LCN）。在近紅外光（NIR）照射下，由于MiniGNRs優(yōu)異的光熱效應(yīng)，MiniGNRs-LCN薄膜迅速發(fā)生彎曲形變，進(jìn)而帶動(dòng)末端的超疏水片對(duì)水產(chǎn)生向后的推力，在反作用力下，軟體機(jī)器人朝著相反的方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光操控可以實(shí)現(xiàn)水上持續(xù)行走。利用MiniGNRs可調(diào)的波長(zhǎng)選擇性，作者制備的三“腿”軟體機(jī)器人能夠在不同波長(zhǎng)的光照下，分別朝著三個(gè)方向行進(jìn)，并進(jìn)一步將它應(yīng)用于物體輸送。相關(guān)成果以“Bioinspired light-fueled water-walking soft robots based on liquid crystal network actuators with polymerizable miniaturized gold nanorods”為題發(fā)表在《Nano Today》上。論文第一作者是天津大學(xué)博士生楊瀟，天津大學(xué)王玲教授和封偉教授為本文通訊作者。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

圖1. 自然界中的水黽及仿生水黽光驅(qū)動(dòng)水上行走軟體機(jī)器人

  為了實(shí)現(xiàn)MiniGNRs在LCN中的均勻分散，研究人員依次通過(guò)包覆介孔二氧化硅、氨基功能化和有機(jī)小分子6OBA的共價(jià)鍵合，設(shè)計(jì)并制備了一種可聚合的MiniGNRs納米單體（如圖2）。TEM圖像中可以清楚地看到MiniGNRs納米單體表面存在均勻的介孔硅層。未經(jīng)修飾的MiniGNRs的尺寸長(zhǎng)為21 nm，寬為5 nm，在815 nm處有強(qiáng)烈的吸收峰；而MiniGNRs納米單體的吸收峰略微紅移，這是因?yàn)楣铓ば纬珊?/span>MiniGNRs周?chē)橘|(zhì)的局部折射率增加導(dǎo)致的。此外，所制備的MiniGNRs納米單體具有優(yōu)異的光熱性能。

  之后通過(guò)MiniGNRs納米單體與液晶單體的原位自由基聚合制備了一個(gè)光響應(yīng)的MiniGNRs-LCN復(fù)合薄膜（如圖3）。薄膜內(nèi)部具有展曲取向，在NIR照射下，光熱效應(yīng)引發(fā)液晶基元的有序度降低，使薄膜平行取向一側(cè)收縮，垂直取向一側(cè)膨脹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了快速可逆的彎曲形變。當(dāng)光強(qiáng)為300 mW cm^-2時(shí)，薄膜表面溫度在2.5 s內(nèi)可達(dá)74 ℃，彎曲角度可達(dá)116°。

圖2. MiniGNRs納米單體的制備和表征

 圖3. MiniGNRs-LCN復(fù)合薄膜的制備和驅(qū)動(dòng)性能

  光驅(qū)動(dòng)MiniGNRs-LCN復(fù)合薄膜的快速?gòu)澢巫兛蔀槠骷峁?qū)動(dòng)力。此外，為使器件具有水上漂浮能力，研究人員以泡沫銅為基底制備了具有微納分級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面，并將其與MiniGNRs-LCN復(fù)合薄膜組裝到一起，制備了一個(gè)仿生水黽的水上行走軟體機(jī)器人（如圖4）。在NIR照射下，薄膜迅速發(fā)生向下的彎曲，同時(shí)向后產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的推力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)器件向前運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉NIR后，器件逐漸停止運(yùn)動(dòng)，通過(guò)周期性開(kāi)關(guān)NIR，能夠?qū)崿F(xiàn)器件持續(xù)的水上行走過(guò)程。光照強(qiáng)度和接觸角是影響器件運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)鍵因素。在300 mW cm^-2 NIR照射下，接觸角為156°時(shí)，器件在15.8 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了總運(yùn)動(dòng)距離約8.9 cm，平均速度約5.7 mm s^-1。

圖4. 紅外光驅(qū)動(dòng)單“腿”軟體機(jī)器人的單向水上行走

  作者進(jìn)一步嘗試實(shí)現(xiàn)器件的可控多方向水上行走過(guò)程。首先通過(guò)調(diào)控MiniGNRs的尺寸，合成了三種吸收峰分別位于544、664和836 nm的MiniGNRs納米單體，它們能夠分別響應(yīng)520 nm綠光、655 nm紅光以及808 nm 的NIR，并進(jìn)一步通過(guò)自由基聚合將它們分別原位交聯(lián)到LCN中。在不同波長(zhǎng)的光照下，只有與其波長(zhǎng)相匹配的MiniGNRs-LCN薄膜才會(huì)發(fā)生彎曲形變，證明了摻雜不同MiniGNRs的LCN薄膜具有選擇性光響應(yīng)性（如圖5）�；诖耍�研究人員最后制備了一個(gè)三“腿”水上行走軟體機(jī)器人。在不同波長(zhǎng)的光照下，器件能夠分別朝著三個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)，并將其應(yīng)用于定向的物體運(yùn)輸。

圖5. 多波長(zhǎng)光照下三“腿”軟體機(jī)器人的多向水上行走

  研究人員將原位交聯(lián)MiniGNRs的液晶復(fù)合薄膜與具有微納分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水材料相結(jié)合，制備了一個(gè)新型的仿生水黽的光驅(qū)動(dòng)水上行走軟體機(jī)器人。在NIR照射下，基于MiniGNRs-LCN復(fù)合薄膜光致形變力的水平動(dòng)量傳遞，軟體機(jī)器人能夠在水面上快速行走，最快速度可達(dá)5.7 mm s^-1。利用MiniGNRs可調(diào)的波長(zhǎng)響應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人在多重光照射下的水上多方向行走，并將其應(yīng)用于物體運(yùn)輸。該工作為具有復(fù)雜時(shí)空驅(qū)動(dòng)的水棲軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了新的思路，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋工業(yè)和未來(lái)海洋等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101419