天津大学封伟教授和冯奕钰研究员团队新成果：兼具可控光驱动和快速自修复功能的软体机械臂
随着人工智能技术的飞速发展，智能材料作为一种能感知外部刺激，分析、识别、判断并适当处理且具备一定执行能力的新型功能材料，将成为支撑未来高科技发展的第四代材料。近年来，天津大学封伟教授研究团队围绕“光驱动软体微型机器人”领域开展了一系列代表性工作，将多种光刺激响应形状记忆材料应用于不同形状的软体微型机器人，并通过光能与机械能的转变实现了可控驱动。
近日，天津大学封伟教授和冯奕钰研究员在光驱动软体机器人领域取得重要研究进展，利用多重氢键超分子聚合物作为刺激响应形状记忆材料，成功制备了兼具高可控、高稳定和快速自修复功能的光驱动软体机械臂。通过光诱导可逆形变，实现了机械臂可控“抓取”和“释放”物体，并在驱动循环过程中实现了机械臂的快速自修复。该研究成果以“Controllable and Stable Deformation of a Self-Healing Photo-Responsive Supramolecular Assembly for an Optically Actuated Manipulator Arm”为题，作为封面亮点发表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29909）上。
感知、响应、可控与自修复功能是智能材料的核心。光刺激响应形状记忆材料是构建光驱动智能机器人的重要材料之一，其中光诱导可逆形变的可控性和修复性能是决定其在光驱动软体机器人中应用的关键。目前已经报道了多种基于超分子组装体系的智能光驱动器，但受光敏分子异构化转变与相互作用的限制，该研究仍然面临巨大的挑战：如何通过限制结构回复提高光驱动形变的稳定性，如何在驱动过程中实现快速自修复性能，达到精确调控与循环稳定驱动的兼顾的目标。
多年来，封伟教授团队在软体机器人领域开展了一系列代表性工作，利用刺激响应聚合物，制作了多种红外光（ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 10882、J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16453）、温度和湿度响应（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 4066）的软体驱动器。在此基础上，研究人员以脲基嘧啶酮衍生物作为超分子基团，制备了含多重氢键的四羧基偶氮苯/聚丙烯酸超分子组装体。多重氢键作用不仅限制了顺式结构在聚合物基体内的自发回复（半衰期达到120 小时），同时促进了界面处的应力转移，达到了光驱动可逆形变的目标（图1），而且有利于超分子组装体实现快速自修复。同时，通过优化偶氮苯在超分子聚合物中的顺反异构体的比例，实现了光驱动形变及其结构回复程度与速率的控制。
图1. 偶氮基光响应超分子组装体的（a）可逆形变及（b）其随温度变化过程
研究显示，刺激响应超分子组装体能在绿光诱导下能发生不同角度（90º-170º）快速弯曲形变，其速率可达33.75°/s，并且在10天之内保持良好的形状稳定性；而且在紫外光照射下能恢复到初始状态（27°/s），在50个循环后仍然具备良好的可逆性，实现了高可控性和高稳定性的兼顾。研究人员制作了基于偶氮超分子组装体的软体机械臂，在优化其形状的基础上，利用绿/紫光的交替驱动，实现了软体机械臂循环可控“抓取”、“释放”和“移动”物体（图2）。并且软体机械臂能在交替运动过程中实现断裂处的快速自修复（6分钟内，拉伸强度恢复到初始的95%）。光驱动机械臂兼具高可控、高稳定和快速自修复功能，为未来设计光驱动智能软体微型机器人提供了重要的研究方向。
图2. 光驱动软体机械臂“抓取”、“释放”和“移动”物体过程
该研究成果近日发表于ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29909），第一作者是司倩宇硕士，通讯作者是冯奕钰研究员，该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和面上项目的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.8b08025
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