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  近日，東華大學(xué)王宏志教授課題組在智能變色—致動一體化軟體機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《晶格收縮觸發(fā)的協(xié)同電致變色致動器》(“Lattice-Contraction Triggered Synchronous Electrochromic Actuator”, DOI:10.1038/s41467-018-07241-7)為題發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)子刊《自然?通訊》(Nature Communications)。東華大學(xué)系論文第一完成單位，材料學(xué)院博士畢業(yè)生李克睿（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)博士后）與英國劍橋大學(xué)博士后邵元龍系共同第一作者，王宏志教授、王剛博士為共同通訊作者。

圖1：自適應(yīng)隱身章魚及其仿生器件構(gòu)筑

  大自然蘊(yùn)藏著無數(shù)的科學(xué)奧秘，變色龍作為自然界中的“偽裝大師”，可以控制鳥嘌呤納米晶體晶格從而實現(xiàn)皮膚顏色的可逆轉(zhuǎn)換，基于變色龍隱身的仿生技術(shù)在軍事隱身、工業(yè)建筑、時尚產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。而自然界中還存在一些更為高明的動物(例如擬態(tài)章魚、墨魚和安第斯雨蛙等)，他們能夠表現(xiàn)出更為復(fù)雜的雙響應(yīng)偽裝能力，不僅能夠像變色龍一樣對周圍的顏色做出快速響應(yīng)，而且能夠改變其自身的紋理和姿勢以適應(yīng)環(huán)境。

圖2：電致變色致動雙響應(yīng)機(jī)理示意圖與相關(guān)數(shù)碼照片

  自然界動物神奇的雙響應(yīng)偽裝能力引起了研究團(tuán)隊的注意，如何同時實現(xiàn)對致動和顏色的雙向控制成為了課題組科研攻關(guān)的重點。王宏志課題組在前期的工作中獲得了蒸汽驅(qū)動的致動薄膜，并通過表面光子晶體功能化修飾實現(xiàn)了機(jī)械致變色（Nature Communications, 2018, 9, 590），然而上述薄膜材料還難以實現(xiàn)對致動和顏色變化的精確控制。相對于傳統(tǒng)的力、熱、光及蒸汽等控制因子，課題組研究人員發(fā)現(xiàn)電控可以實現(xiàn)精確調(diào)控并易于同其他電子器件進(jìn)行集成化設(shè)計，因而開發(fā)出電控的變色-致動協(xié)同響應(yīng)材料及器件就具有十分重要的意義。課題組在多年對電致變色和致動材料與機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，利用W18O49納米線嵌/脫Li過程中晶格尺寸的變化，獲得了精密電控變色-致動協(xié)同響應(yīng)體系，實現(xiàn)了單一組分材料的多重響應(yīng)功能，有效克服了復(fù)合薄膜體系由于界面效應(yīng)所產(chǎn)生的可控性差、穩(wěn)定性低、致動-變色不同步的問題。

圖3： 第一性理論計算、同步輻射原位XRD和動態(tài)計算機(jī)模擬闡明致動的核心影響因素---晶格收縮

  第一作者李克睿告訴記者，從偶然發(fā)現(xiàn)的實驗現(xiàn)象到發(fā)掘現(xiàn)象背后的科學(xué)價值，這背后是科研團(tuán)隊一次次實驗、一次次驗證，一次次失敗之后的從頭再來。共同通訊作者王剛博士說，在東華求學(xué)的日子學(xué)習(xí)到的不僅是知識，更是對于科學(xué)問題較真的態(tài)度。為了得到更為精確的實驗數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊與英國劍橋大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)以及西北大學(xué)相關(guān)人員合作，運用高能同步輻射光源實時在線檢測，更加深入地觀察精細(xì)結(jié)構(gòu)和細(xì)微變化，最終通過第一性理論計算、動態(tài)計算機(jī)模擬及原位同步輻射研究，明確闡明了致動的核心影響因素---晶格收縮。所獲得的基于氧化鎢納米線的一體化智能響應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了液相的多重指令執(zhí)行，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建了可在空氣中工作的贗電容致動器。這種非傳統(tǒng)的贗電容致動機(jī)制不僅從材料微納結(jié)構(gòu)角度揭示了精密電控變色-致動協(xié)同響應(yīng)機(jī)制，而且為多重響應(yīng)隱身軟體機(jī)器人的集成化智能化設(shè)計提供了材料及器件設(shè)計基礎(chǔ)。

  據(jù)了解，材料學(xué)院王宏志課題組在致動變色領(lǐng)域先后在Science Advances, Nature Communications, ACS Nano等國際知名期刊發(fā)表多篇研究論文，取得一系列研究成果。這些前期的研究工作為本篇研究論文的發(fā)表奠定了扎實的實驗及理論基礎(chǔ)。該研究成果在軍事自適應(yīng)隱身、智能可穿戴服裝、柔性軟體機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用前景。此項研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人等項目的大力支持。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07241-7