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  地球上的大多數(shù)生物體經(jīng)過長(zhǎng)期進(jìn)化選擇可根據(jù)所處的外界環(huán)境快速產(chǎn)生適應(yīng)性自身形變和/或可控運(yùn)動(dòng)以躲避危險(xiǎn)、生存繁衍。例如，自然界中的植物如風(fēng)滾草在逃離干旱地區(qū)、昆蟲如金輪蜘蛛在躲避天敵襲擊等情況下，會(huì)選擇性地先將自身變形為球狀，進(jìn)而通過“翻滾”運(yùn)動(dòng)的形式快速離開當(dāng)前不利環(huán)境。通過人工合成材料的程序化可控設(shè)計(jì)、模仿甚至超越生物體的智能驅(qū)動(dòng)行為，是仿生材料領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c(diǎn)及難點(diǎn)之一。軟體驅(qū)動(dòng)材料可將外界物理刺激（熱、電、光、磁等）或化學(xué)刺激（pH、溶劑、離子強(qiáng)度等）轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼臋C(jī)械變形，在人造肌肉、柔性機(jī)器人等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在仿生無束縛形變方面，基于形狀記憶聚合物、液晶彈性體、高分子水凝膠等軟體驅(qū)動(dòng)器已取得了重要的研究進(jìn)展，然而如何以溫和便捷的方法構(gòu)筑類似于生物體的兼具快速形變、可編程及運(yùn)動(dòng)功能的仿生軟體驅(qū)動(dòng)材料與器件則仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。

  針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可編程性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)速度快的光控?zé)o約束軟體驅(qū)動(dòng)器，其不僅可在紅外光的控制下進(jìn)行可控的自身形變，還可通過限域回火處理實(shí)現(xiàn)仿生“翻滾”式快速運(yùn)動(dòng)和用作運(yùn)輸物品的軟體機(jī)器人（Nat. Commun., 2020, 11, 4359, doi.org/10.1038/s41467-020-18214-0）。研究人員將前期研究在水/空氣界面組裝的大面積石墨烯薄膜（SGA）（ZL201510466050.3；Chem. Mater., 2016, 28, 7125；ACS Nano, 2019, 13, 4368；Nano Energy, 2019, 59, 422）轉(zhuǎn)移到熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于石墨烯的商用聚乙烯材質(zhì)的保鮮膜（PE）上得到SGA/PE雙層復(fù)合膜（圖1a-c）。所得SGA/PE在外界熱刺激下表現(xiàn)出通常雙層膜驅(qū)動(dòng)器常見的驅(qū)動(dòng)行為（圖1d），值得注意的是，若進(jìn)行如鋼鐵冶金行業(yè)的回火處理，該復(fù)合膜通過限域回火處理后，可得到初始構(gòu)型可調(diào)的SGA/PE驅(qū)動(dòng)器，初始構(gòu)型變形曲率可通過SGA膜層數(shù)和回火處理溫度進(jìn)行精確調(diào)控（圖1e-g）。

圖1 a-c) SGA/PE雙層復(fù)合膜形貌；(d) 常規(guī)熱驅(qū)動(dòng)變形；e) 限域回火處理變形；f-g) 限域回火形變調(diào)

  尤其重要的是，通過與香港理工大學(xué)姚海民教授團(tuán)隊(duì)在分子動(dòng)力學(xué)模擬和有限元分析上的合作，表明SGA層具有非對(duì)稱彈塑性力學(xué)性能，SGA受拉伸時(shí)由于內(nèi)部各石墨烯片層之間不可逆的相對(duì)滑動(dòng)而表現(xiàn)為高塑性，SGA受壓縮時(shí)由于可逆的屈曲褶皺變形表現(xiàn)為高彈性。在受限空間下的回火處理過程中正是SGA層非對(duì)稱彈塑性力學(xué)性能使得SGA/PE具有室溫構(gòu)型可編程性能，通過理論計(jì)算得到的回火處理的SGA/PE變形曲率和實(shí)際變形曲率具有良好的一致性（圖2）。

圖2 分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算SGA層在拉伸和壓縮時(shí)的變形行為

  進(jìn)一步通過圖案化的石墨烯薄膜和/或局部回火預(yù)處理策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這種熱誘導(dǎo)變形系統(tǒng)的初始構(gòu)型的定制化編程設(shè)計(jì)，從而創(chuàng)建了具有三維復(fù)雜驅(qū)動(dòng)的形變系統(tǒng)�；谶@種優(yōu)異的形狀變形控制性能，研究者將SGA/PE應(yīng)用于開發(fā)各種熱或光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器件，包括人工虹膜、人工睡蓮，仰臥起坐機(jī)器人等固定位置的自身變形體系（圖3）。

圖3 通過不同策略 (a-d圖案化SGA和PE層、e局域回火處理) 編程SGA/PE初始構(gòu)型；f) 虹膜、百合、仰臥起坐機(jī)器人、含羞草

  特別需要提及的是，限域回火處理后的SGA/PE雙層膜在室溫下自發(fā)卷曲成多層卷構(gòu)型，可用于構(gòu)筑不受束縛的光控運(yùn)動(dòng)器件，其在外界側(cè)向紅外光照刺激下可實(shí)現(xiàn)在平地與模擬沙漠上的連續(xù)翻滾前進(jìn)運(yùn)動(dòng)（圖4a-b），還可組裝成四軸運(yùn)動(dòng)的摩托機(jī)器以及基于此的可運(yùn)輸物品的軟體機(jī)器人（圖4c）。

圖4 a) 限域回火處理實(shí)現(xiàn)翻滾式運(yùn)動(dòng)行為，b) 仿金輪蜘蛛的沙漠滾動(dòng)行為，c) 組裝摩托運(yùn)動(dòng)行為與運(yùn)輸軟體機(jī)器人

  該策略為開發(fā)具有可編程、無束縛的軟體機(jī)器人提供了一個(gè)新思路，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際合作局重點(diǎn)項(xiàng)目資助、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、NSFC-浙江兩化融合聯(lián)合基金、香港研究資助局研究基金、中國博士后科學(xué)基金等的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-18214-0