能“吃掉”微塑料！四川大学团队研发光激活的机器鱼，兼顾功能执行和快速运动

导读：

近日，四川大学高分子材料工程国家重点实验室张新星教授团队开发出一种集成化的软体机器人——由光驱动的机器鱼，它能快速“游动”，捡起并清除微塑料。这种材料在切割后还能自我愈合，它打破了软体机器人功能执行和快速运动的相互排斥性，实现了更高程度的集成化与智能化。相关成果发表在国际学术期刊《纳米快报》上。

海洋中的微塑料是一种新型的污染物，颗粒小、数量多、分布广且易于被海洋鱼、贝类等生物体摄食并富集，进一步随着食物链的传递，会对海洋生物的生存以及人类健康造成严重威胁。通常，用于微塑料清除的软体机器人使用的材料是水凝胶，而这种材料在水生环境中很容易被破坏。

四川大学张新星教授团队从珍珠母贝（也称为珍珠层）这一天然材料的微观梯度中受到启发，仿制出一种类似的梯度结构，为软体机器人创造出一种耐用且可弯曲的材料。

研究人员制备环糊精修饰的磺化石墨烯复合纳米片，然后将不同浓度的纳米片溶液加入到聚氨酯乳胶中，通过逐层组装的方法，创造了有序的浓度梯度的纳米复合材料，并用这种材料制成了一个15毫米（约半英寸）长的微型机器鱼。

机器鱼在水面游动执行功能。

▍每秒移动2.67个身长，被切割后能自愈

这种机器鱼可以每秒移动2.67个身长，其尾部有一个近红外激光灯。研究团队表示，这比类似的软体游泳机器人的速度要快，与浮游植物的速度差不多。通过他们的实验，该团队能够表明，该机器人能够反复吸附聚苯乙烯微塑料，并将它们运送到其他地方。

值得一提的是，它还可以在被切割后自行愈合，而不影响其吸附能力。

“之前所用材料的结构一般是均匀分散的，而引入纳米梯度结构后，层与层之间有许多超分子的相互作用，这就使得材料在被切割后还能自我愈合，仍然保持吸附微塑料的能力。”张新星说，在自然光等清洁能源的驱动下，这种梯度结构还使得“鱼身”膨胀不均匀，从而推动前进。

这种材料有一个微观的梯度，从一侧的碳酸钙矿物聚合物复合材料过渡到另一侧主要承载丝蛋白填充物。该团队能够通过创造由内部疏水、外部亲水的分子与磺化石墨烯组成的复合纳米片来模仿这种梯度结构。

纳米片被掺入不同浓度的聚氨酯乳胶混合物，然后逐层组装，以创造一个模仿珍珠中发现的有序梯度。

▍在环境监测等领域具潜在价值

“微塑料”的概念于2004年被首次提出，来自英国普利茅斯大学的研究人员发表的一篇关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的论文。微塑料一般是直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒。与“白色污染”塑料相比，微塑料的危害体现在其颗粒直径微小上，这是其与一般的不可降解塑料相比，对于环境的危害程度更深的原因。

此前，联合国环境规划署（UNEP）发布了《从污染到解决方案：海洋垃圾和塑料污染全球评估》报告。报告显示，海洋垃圾中85%是塑料。到2040年，流入海洋区域的塑料垃圾量将增加近两倍，每年海洋中将新增2300-3700万吨塑料垃圾，相当于全世界每一米海岸线将有50公斤的塑料垃圾。

本研究团队的科学家表示，这种耐久性，加上机器人的速度和吸收塑料颗粒的能力，可以使它成为解决恶劣水生环境中微塑料污染的宝贵工具，并可能为其他类似应用的多功能机器人提供一个蓝图。

目前，由于机器鱼的耐用性和速度，可用于监测恶劣的水生环境中的微塑料和其他污染物。随着研究深入，这一软体机器人将在生物医药、环境监测、航空航天等领域展现出潜在的应用价值。

▍基于仿生机器鱼的水下环境保护

目前，国际上对仿生机器鱼已经开展了很多研究工作，一些发达国家在仿生鱼监测水下环境上的研究上取得了一系列成果。例如哈佛大学的科学家创造过一批鱼形机器人，会模拟真实的鱼群，协作式同步运动，并根据附近的鱼类自主做出游行动作，完成环境监测工作，并为探索珊瑚礁提供新方法。

欧洲科学家研制出一种可增强污染探测的机器鱼，可以捡拾船上以及海峡管道的遗漏的污染物。机器鱼能够实现自主避障和相互之间的交流，当8小时电池耗尽之后，会自动返回岸边的工作室。

相较于传统的螺旋桨推进水下机器人，仿生机器鱼在环保、效率、机动性等方面优点显著。

它们一般结构密封，锂电池和驱动机构往往安装在内部，对水体没有污染且不易缠绕水草，能更好融入自然环境，对真实鱼类不会造成伤害；它们模仿鱼类的摆动，具有更理想的流体力学性能，从而提高能量效率；有些还能模仿鱼类C形转向、前后滚翻等复杂动作，展现出更强大的机动性能；很多机器鱼由于体积较小，可以在狭窄或危险的水下环境中开展工作。

随着世界各国对水源保护的重视，以及材料学、控制学以及人工智能的发展，水质检测技术和仪器将会继续突破，期待仿生机器鱼作为海洋装备在高仿生特性、高运动特性、强智能特性等方面进一步提高技术水平，发挥更大作用。

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