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  在億萬年的自然演化中，一些生物體逐漸發(fā)展出體色、形態(tài)等隨環(huán)境變化的能力。其中，最典型的例子就是變色龍：它能夠根據(jù)外部環(huán)境或情緒心理的變化來快速改變膚色，以達到偽裝或交流的目的。研究表明，變色龍的皮膚具有特殊的多層色素細胞構(gòu)造，環(huán)境或情緒的變化會誘導(dǎo)皮膚肌肉運動，改變皮膚多層色素細胞的分布，進而實現(xiàn)多樣化的身體顏色變化。這一有趣的生物體變色現(xiàn)象啟發(fā)科學(xué)家們構(gòu)建了多種基于高分子薄膜和彈性體的智能仿生軟體機器人，這些具有變色功能的偽裝機器人在自然環(huán)境中表現(xiàn)出類生物體的行為，不易被識別和破壞，因而在海洋探索、生物學(xué)研究、環(huán)境考察等方面應(yīng)用前景巨大。相較于高分子薄膜和彈性體，高分子水凝膠具有與生物組織相當(dāng)?shù)哪Ａ考败洝竦忍匦�，可能更加適宜于變色軟體機器人的構(gòu)建。因此，如何通過各向異性高分子水凝膠的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)驅(qū)動與智能熒光色變等功能的協(xié)同來構(gòu)建具有變色功能的水凝膠驅(qū)動器，就成為我們格外關(guān)注的關(guān)鍵問題。

  近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員和路偉副研究員在智能熒光高分子水凝膠的分子設(shè)計及材料構(gòu)建方面開展了大量的基礎(chǔ)研究工作（Adv. Funct. Mater. 2019, 1905514; ACS Macro Lett. 2019, 8, 937; Sci. China Mater.2019, 62, 831; ACS Sensors 2018, 3, 2394; Adv. Mater. Technol. 2018, 1800201; J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9499; Macromol. Rapid Commun.,2018, 39, 1800648; Macromol. Rapid Commun.2018, 39, 1800130; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23884）�；谝陨涎芯�，該團隊在2018年通過苝酰亞胺功能化熒光高分子水凝膠和氧化石墨烯雜化聚異丙基丙烯酰胺水凝膠功能模塊的超分子宏觀組裝，初步實現(xiàn)了復(fù)雜形變和智能熒光性能的協(xié)同（Adv. Funct. Mater. 2018, 1704568）。然而，盡管這種高分子驅(qū)動器同時兼具復(fù)雜變形和“開-關(guān)”熒光功能，它卻只能發(fā)出一種熒光顏色（黃色），遠遠落后于自然界中的變色龍等可顯示豐富多彩膚色變化的生物體。

  近日，該團隊在Angew. Chem. Int. Ed. 上報道了一種兼具3D復(fù)雜形變-智能色變功能的多色熒光高分子水凝膠驅(qū)動器（圖1），題為“Bioinspired Synergistic Fluorescence-Color Switchable Polymeric Hydrogel Actuator”(DOI: 10.1002/anie.201908437)。在該工作中，研究人員從多色熒光單體分子設(shè)計的源頭出發(fā)，合成了一種含有吡啶羧酸鹽配體的單體6APA，其與N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、甲雙叉丙烯酰胺經(jīng)自由基聚合制備的溫敏性高分子水凝膠（PNIPAM-K6APA）的熒光強度很弱，但稀土銪（Eu³⁺）和鋱離子（Tb³⁺）的分別摻雜會誘導(dǎo)吡啶羧酸鹽配體的能量轉(zhuǎn)移，進而發(fā)出明亮的紅色和綠色熒光，進一步地，可以通過不同比例銪和鋱離子與吡啶羧酸鹽配體的競爭配位作用的調(diào)控來獲得紅色和綠色相疊加的多色熒光。該熒光水凝膠具有豐富的刺激響應(yīng)性，酸堿、競爭配位陰/陽離子等的刺激都會改變其熒光顏色（圖2）。

圖1 由變色龍啟發(fā)的具有協(xié)同變形變色功能的水凝膠驅(qū)動器示意圖

圖2 水凝膠的熒光顏色調(diào)控及其刺激響應(yīng)性熒光色變

  基于這一智能熒光色變原理，研究人員以溫敏性PNIPAM-K6APA為主動層、稱量紙為被動層構(gòu)建了一種各向異性熒光高分子水凝膠驅(qū)動器。如圖3所示，在堿和溫度的交互刺激下，一對分別基于紅色熒光Eu-PNIPAM-K6APA和綠色熒光Tb-PNIPAM-K6APA驅(qū)動器的仿生變色龍表現(xiàn)出協(xié)同的膚色變暗和身姿形變，模仿出變色龍在意欲發(fā)動攻擊時心理情緒變化誘導(dǎo)的膚色變暗現(xiàn)象；類似地，在鋱離子和溫度的交互刺激下，基于紅色熒光Eu-PNIPAM-K6APA驅(qū)動器的仿生變色龍表現(xiàn)出與協(xié)同的身姿形變和“紅轉(zhuǎn)黃綠”膚色改變，初步模仿出變色龍在環(huán)境變化誘導(dǎo)下的皮膚顏色變化多樣性（圖4）。

圖3 分別基于Eu-PNIPAM-K6APA和Tb-PNIPAM-K6APA水凝膠驅(qū)動器的一對仿生變色龍在堿和溫度交互刺激下的協(xié)同變形變色行為

圖4 基于Eu-PNIPAM-K6APA水凝膠驅(qū)動器的仿生變色龍在鋱離子和溫度交互刺激下的協(xié)同變形變色行為

  在該工作中，研究人員通過各向異性多色熒光高分子水凝膠驅(qū)動器的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計，協(xié)同利用競爭配位調(diào)控的熒光色變和溫度控制的形狀改變，制備了一種具有類變色龍行為的高分子水凝膠基軟體機器人。盡管現(xiàn)在的變色軟體機器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能展示上還比較粗糙，但這一成功實例證明了變形變色等多功能協(xié)同的軟體機器人的可行性，為未來多功能軟體機器人的開發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

  以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（21774138, 51773215, 51873223）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會（2019297, 2017337）、中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室開放基金（2018K02）等項目的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908437