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  利用智能響應(yīng)材料制備的軟體機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的剛性裝置具有更高的形變靈活度與環(huán)境適應(yīng)性，更貼近自然界中生物體的運(yùn)動(dòng)方式，因此被廣泛應(yīng)用于仿生領(lǐng)域。光作為一種清潔能源，其波長(zhǎng)，強(qiáng)度，光照位點(diǎn)都可以被調(diào)整，因而光響應(yīng)性器件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、非接觸式的精確控制。但是已有的光驅(qū)動(dòng)器件受限于原料的性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度低，形變速度較慢，回復(fù)過程需要額外刺激等特點(diǎn)局限了其進(jìn)一步的應(yīng)用。

  北京大學(xué)工學(xué)院于海峰課題組提出了利用機(jī)械強(qiáng)度高的聚合物薄膜來(lái)承載具有光響應(yīng)性能的分子的新方法。他們對(duì)低密度聚乙烯基底進(jìn)行單軸摩擦處理，并涂布具有室溫光致液化效應(yīng)的偶氮苯液晶小分子，從而實(shí)現(xiàn)各向異性的光致彎曲。而停止光照后，摩擦處理產(chǎn)生的溝槽可以使液晶小分子在回復(fù)固態(tài)的過程中發(fā)生重新取向，因此整個(gè)光致形變是可重復(fù)的。該課題組進(jìn)一步利用這種雙層膜實(shí)現(xiàn)了螺旋形變，模仿蟒蛇捕食的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取及釋放(J. Mater. Chem. C 2018, 6, 10815-10821)。

圖1、圖2 復(fù)合材料器件模擬蟒蛇捕食不同形狀獵物

  然而利用小分子的光致液化效應(yīng)仍存在局限，一是液化后的光響應(yīng)層易脫離基底，二是形變的回復(fù)仍然需要5s左右。因此，該課題組提出將偶氮苯液晶聚合物作為光響應(yīng)層，利用其光致體積膨脹的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)室溫下的快速可逆形變。相應(yīng)地，基底也替換成與光響應(yīng)層結(jié)合更緊密并且具有更強(qiáng)機(jī)械性能的Kapton薄膜。對(duì)于這種更穩(wěn)定的雙層膜驅(qū)動(dòng)器件，其形變與回復(fù)都可以控制在1s左右，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于植物樹葉晝夜節(jié)律現(xiàn)象的模擬：在光照條件下（模擬日出狀態(tài)），成對(duì)的雙層膜張開；當(dāng)光照停止（模擬日落狀態(tài)），模擬樹葉閉合(J. Mater. Chem. C 2019, 7, 622-629)。

圖3、圖4 復(fù)合材料器件模擬植物樹葉晝夜節(jié)律現(xiàn)象

  在此基礎(chǔ)上，采用壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)策略設(shè)計(jì)合成了基于偶氮苯光敏液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)層及聚酰亞胺薄膜基質(zhì)層的雙層復(fù)合材料，具備光致分子間空隙增加、體積膨脹，宏觀上表現(xiàn)為紫外光致雙層薄膜結(jié)構(gòu)迅速向聚酰亞胺薄膜基質(zhì)層彎曲，撤去光源形態(tài)快速恢復(fù)的特性。通過光照射頻率、強(qiáng)度、照射位點(diǎn)及微型裝置長(zhǎng)寬比的調(diào)控，這種快速可逆的形變可以演變成周期性的拍打，表現(xiàn)出快速、連續(xù)、持久、方向可控的優(yōu)異性能，達(dá)到類似于海豚的尾鰭和胸鰭的功效�；诖�，該課題組設(shè)計(jì)了一種液面驅(qū)動(dòng)器，可以通過光控到達(dá)液面的任意位置。此外還評(píng)估了作為運(yùn)輸過程中裝載、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)向、卸載、返航這五個(gè)重要過程中的表現(xiàn)。提出了船身結(jié)構(gòu)流水型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)重心有待進(jìn)一步提高，有望應(yīng)用于微型化運(yùn)輸系統(tǒng)。 (doi:10.1002/anie.201811808)。

圖5 液晶與高分子復(fù)合材料模擬海豚游泳的示意圖

圖6 器件用于小型物體運(yùn)輸?shù)难b載、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)向、卸載、返航過程

  論文的第一作者分別為北京大學(xué)在讀博士生胡婧、李曉和馬樹燈，于海峰研究員是所有論文的唯一通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

（1）Ma, Shudeng; Li, Xiao; Huang, Shuai; Hu, Jing Hu; Yu, Haifeng * "A Light-Activated Polymer Composite Enables On-Demand Photocontrolled Motion: Transportation at the Liquid/Air Interface", Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201811808

https://doi.org/10.1002/anie.201811808

（2）Li, Xiao; Ma, Shudeng; Hu, Jing; Ni, Yue; Lin, Zhiqun; Yu, Haifeng*, “Photo-activated Bimorph Composites of Kapton and Liquid-Crystalline Polymer Towards Biomimetic Circadian Rhythms of Albizia Julibrissin Leaves”, Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(3), 622-629. (DOI: 10.1039/C8TC05186K)

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/tc/c8tc05186k#!divAbstract

（3）Hu, Jing; Li, Xiao Li; Ni, Yue; Ma, Shudeng; Yu, Haifeng*, Programmable and biomimetic photo-actuator: a composite of photo-liquefiable azobenzene derivative and commercial plastic film, Journal of Materials Chemistry C 2018, 6,10815-10821  (DOI: 10.1039/C8TC03693D)

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc03693d#!divAbstract