天津大学封伟教授、王玲教授团队《Nano Today》：仿生水黾光驱动水上行走软体机器人

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自然界中的水栖生物能够通过多种运动方式在液体介质中自由运动，如鱼类鳍的摆动、海龟四肢的拍打、头足类动物的喷气推进等。受到水栖软体生物的启发，近年来，研究人员利用智能软材料开发出了一系列能够响应外界刺激的水栖软体机器人，它们在外界刺激下（如电场、磁场、光、热、湿度等）能够在水中或水面上运动。水上行走是自然界中某些生物特有的运动方式，例如，水黾的腿上覆盖着大量定向的刚毛和细小的纳米沟槽，这种显著的微纳分级复合结构赋予其超疏水性，使它们能够毫不费力地站立在水面上；此外，水黾会像划桨一样摆动它们的腿，在水中制造出螺旋状旋涡，借助旋涡的推动力在水面上快速行走。受水黾水上行走机制的启发，科学家们设计并制备了电场驱动的水上行走软体机器人。光能作为一种绿色能源，能够实现远程、时空等精确控制，然而，如何实现光驱动水上行走软体机器人是目前所面临的挑战。

近日，天津大学封伟教授团队（FOCC实验室）开发了一种仿生水黾光驱动水上行走软体机器人，将光响应液晶聚合物（LCN）薄膜作为“腿”为其提供驱动力，而具有微纳分级结构的超疏水表面为其提供支持力使其能够漂浮在水面上。作者首先设计并制备了可紫外光聚合的超小金纳米棒单体（MiniGNRs nanomonomer），将超小金纳米棒原位交联到LCN中获得超小金纳米棒复合液晶薄膜（MiniGNRs-LCN）。在近红外光（NIR）照射下，由于MiniGNRs优异的光热效应，MiniGNRs-LCN薄膜迅速发生弯曲形变，进而带动末端的超疏水片对水产生向后的推力，在反作用力下，软体机器人朝着相反的方向运动，通过光操控可以实现水上持续行走。利用MiniGNRs可调的波长选择性，作者制备的三“腿”软体机器人能够在不同波长的光照下，分别朝着三个方向行进，并进一步将它应用于物体输送。相关成果以“Bioinspired light-fueled water-walking soft robots based on liquid crystal network actuators with polymerizable miniaturized gold nanorods”为题发表在《Nano Today》上。论文第一作者是天津大学博士生杨潇，天津大学王玲教授和封伟教授为本文通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

图1. 自然界中的水黾及仿生水黾光驱动水上行走软体机器人

为了实现MiniGNRs在LCN中的均匀分散，研究人员依次通过包覆介孔二氧化硅、氨基功能化和有机小分子6OBA的共价键合，设计并制备了一种可聚合的MiniGNRs纳米单体（如图2）。TEM图像中可以清楚地看到MiniGNRs纳米单体表面存在均匀的介孔硅层。未经修饰的MiniGNRs的尺寸长为21 nm，宽为5 nm，在815 nm处有强烈的吸收峰；而MiniGNRs纳米单体的吸收峰略微红移，这是因为硅壳形成后MiniGNRs周围介质的局部折射率增加导致的。此外，所制备的MiniGNRs纳米单体具有优异的光热性能。

之后通过MiniGNRs纳米单体与液晶单体的原位自由基聚合制备了一个光响应的MiniGNRs-LCN复合薄膜（如图3）。薄膜内部具有展曲取向，在NIR照射下，光热效应引发液晶基元的有序度降低，使薄膜平行取向一侧收缩，垂直取向一侧膨胀，进而实现了快速可逆的弯曲形变。当光强为300 mW cm^-2时，薄膜表面温度在2.5 s内可达74 ℃，弯曲角度可达116°。

图2. MiniGNRs纳米单体的制备和表征

 图3. MiniGNRs-LCN复合薄膜的制备和驱动性能

光驱动MiniGNRs-LCN复合薄膜的快速弯曲形变可为器件提供驱动力。此外，为使器件具有水上漂浮能力，研究人员以泡沫铜为基底制备了具有微纳分级结构的超疏水表面，并将其与MiniGNRs-LCN复合薄膜组装到一起，制备了一个仿生水黾的水上行走软体机器人（如图4）。在NIR照射下，薄膜迅速发生向下的弯曲，同时向后产生一个瞬时的推力，进而驱动器件向前运动。关闭NIR后，器件逐渐停止运动，通过周期性开关NIR，能够实现器件持续的水上行走过程。光照强度和接触角是影响器件运动速度的关键因素。在300 mW cm^-2 NIR照射下，接触角为156°时，器件在15.8 s内实现了总运动距离约8.9 cm，平均速度约5.7 mm s^-1。

图4. 红外光驱动单“腿”软体机器人的单向水上行走

作者进一步尝试实现器件的可控多方向水上行走过程。首先通过调控MiniGNRs的尺寸，合成了三种吸收峰分别位于544、664和836 nm的MiniGNRs纳米单体，它们能够分别响应520 nm绿光、655 nm红光以及808 nm 的NIR，并进一步通过自由基聚合将它们分别原位交联到LCN中。在不同波长的光照下，只有与其波长相匹配的MiniGNRs-LCN薄膜才会发生弯曲形变，证明了掺杂不同MiniGNRs的LCN薄膜具有选择性光响应性（如图5）。基于此，研究人员最后制备了一个三“腿”水上行走软体机器人。在不同波长的光照下，器件能够分别朝着三个不同方向运动，并将其应用于定向的物体运输。

图5. 多波长光照下三“腿”软体机器人的多向水上行走

研究人员将原位交联MiniGNRs的液晶复合薄膜与具有微纳分级复合结构的超疏水材料相结合，制备了一个新型的仿生水黾的光驱动水上行走软体机器人。在NIR照射下，基于MiniGNRs-LCN复合薄膜光致形变力的水平动量传递，软体机器人能够在水面上快速行走，最快速度可达5.7 mm s^-1。利用MiniGNRs可调的波长响应性，实现了软体机器人在多重光照射下的水上多方向行走，并将其应用于物体运输。该工作为具有复杂时空驱动的水栖软体机器人的设计提供了新的思路，在环境监测、海洋工业和未来海洋等领域具有潜在的应用价值。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101419

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