《Angew.》类变色龙的高分子水凝胶基软体机器人
在亿万年的自然演化中,一些生物体逐渐发展出体色、形态等随环境变化的能力。其中,最典型的例子就是变色龙:它能够根据外部环境或情绪心理的变化来快速改变肤色,以达到伪装或交流的目的。研究表明,变色龙的皮肤具有特殊的多层色素细胞构造,环境或情绪的变化会诱导皮肤肌肉运动,改变皮肤多层色素细胞的分布,进而实现多样化的身体颜色变化。
这一有趣的生物体变色现象启发科学家们构建了多种基于高分子薄膜和弹性体的智能仿生软体机器人,这些具有变色功能的伪装机器人在自然环境中表现出类生物体的行为,不易被识别和破坏,因而在海洋探索、生物学研究、环境考察等方面应用前景巨大。相较于高分子薄膜和弹性体,高分子水凝胶具有与生物组织相当的模量及软、湿等特性,可能更加适宜于变色软体机器人的构建。因此,如何通过各向异性高分子水凝胶的组成结构设计,实现驱动与智能荧光色变等功能的协同来构建具有变色功能的水凝胶驱动器,就成为我们格外关注的关键问题。
近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员和路伟副研究员在智能荧光高分子水凝胶的分子设计及材料构建方面开展了大量的基础研究工作(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)。基于以上研究,该团队在2018年通过苝酰亚胺功能化荧光高分子水凝胶和氧化石墨烯杂化聚异丙基丙烯酰胺水凝胶功能模块的超分子宏观组装,初步实现了复杂形变和智能荧光性能的协同(Adv. Funct. Mater. 2018, 1704568)。然而,尽管这种高分子驱动器同时兼具复杂变形和“开-关”荧光功能,它却只能发出一种荧光颜色(黄色),远远落后于自然界中的变色龙等可显示丰富多彩肤色变化的生物体。
论文链接
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201908437
图1 由变色龙启发的具有协同变形变色功能的水凝胶驱动器示意图
图2 水凝胶的荧光颜色调控及其刺激响应性荧光色变
图3 分别基于Eu-PNIPAM-K6APA和Tb-PNIPAM-K6APA水凝胶驱动器的一对仿生变色龙在碱和温度交互刺激下的协同变形变色行为
图4 基于Eu-PNIPAM-K6APA水凝胶驱动器的仿生变色龙在铽离子和温度交互刺激下的协同变形变色行为