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  利用智能響應(yīng)材料制備的軟體機器人相比于傳統(tǒng)的剛性裝置具有更高的形變靈活度與環(huán)境適應(yīng)性，更貼近自然界中生物體的運動方式，因此被廣泛應(yīng)用于仿生領(lǐng)域。光作為一種清潔能源，其波長，強度，光照位點都可以被調(diào)整，因而光響應(yīng)性器件可以實現(xiàn)遠程、非接觸式的精確控制。但是已有的光驅(qū)動器件受限于原料的性質(zhì)，機械強度低，形變速度較慢，回復(fù)過程需要額外刺激等特點局限了其進一步的應(yīng)用。

  北京大學(xué)工學(xué)院于海峰課題組提出了利用機械強度高的聚合物薄膜來承載具有光響應(yīng)性能的分子的新方法。他們對低密度聚乙烯基底進行單軸摩擦處理，并涂布具有室溫光致液化效應(yīng)的偶氮苯液晶小分子，從而實現(xiàn)各向異性的光致彎曲。而停止光照后，摩擦處理產(chǎn)生的溝槽可以使液晶小分子在回復(fù)固態(tài)的過程中發(fā)生重新取向，因此整個光致形變是可重復(fù)的。該課題組進一步利用這種雙層膜實現(xiàn)了螺旋形變，模仿蟒蛇捕食的方式，實現(xiàn)對物體的抓取及釋放(J. Mater. Chem. C 2018, 6, 10815-10821)。

圖1、圖2 復(fù)合材料器件模擬蟒蛇捕食不同形狀獵物

  然而利用小分子的光致液化效應(yīng)仍存在局限，一是液化后的光響應(yīng)層易脫離基底，二是形變的回復(fù)仍然需要5s左右。因此，該課題組提出將偶氮苯液晶聚合物作為光響應(yīng)層，利用其光致體積膨脹的性質(zhì)來實現(xiàn)室溫下的快速可逆形變。相應(yīng)地，基底也替換成與光響應(yīng)層結(jié)合更緊密并且具有更強機械性能的Kapton薄膜。對于這種更穩(wěn)定的雙層膜驅(qū)動器件，其形變與回復(fù)都可以控制在1s左右，從而實現(xiàn)對于植物樹葉晝夜節(jié)律現(xiàn)象的模擬：在光照條件下（模擬日出狀態(tài)），成對的雙層膜張開；當(dāng)光照停止（模擬日落狀態(tài)），模擬樹葉閉合(J. Mater. Chem. C 2019, 7, 622-629)。

圖3、圖4 復(fù)合材料器件模擬植物樹葉晝夜節(jié)律現(xiàn)象

  在此基礎(chǔ)上，采用壓電雙晶片驅(qū)動策略設(shè)計合成了基于偶氮苯光敏液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)層及聚酰亞胺薄膜基質(zhì)層的雙層復(fù)合材料，具備光致分子間空隙增加、體積膨脹，宏觀上表現(xiàn)為紫外光致雙層薄膜結(jié)構(gòu)迅速向聚酰亞胺薄膜基質(zhì)層彎曲，撤去光源形態(tài)快速恢復(fù)的特性。通過光照射頻率、強度、照射位點及微型裝置長寬比的調(diào)控，這種快速可逆的形變可以演變成周期性的拍打，表現(xiàn)出快速、連續(xù)、持久、方向可控的優(yōu)異性能，達到類似于海豚的尾鰭和胸鰭的功效。基于此，該課題組設(shè)計了一種液面驅(qū)動器，可以通過光控到達液面的任意位置。此外還評估了作為運輸過程中裝載、運輸、轉(zhuǎn)向、卸載、返航這五個重要過程中的表現(xiàn)。提出了船身結(jié)構(gòu)流水型設(shè)計、結(jié)構(gòu)重心有待進一步提高，有望應(yīng)用于微型化運輸系統(tǒng)。 (doi:10.1002/anie.201811808)。

圖5 液晶與高分子復(fù)合材料模擬海豚游泳的示意圖

圖6 器件用于小型物體運輸?shù)难b載、運輸、轉(zhuǎn)向、卸載、返航過程

  論文的第一作者分別為北京大學(xué)在讀博士生胡婧、李曉和馬樹燈，于海峰研究員是所有論文的唯一通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

（1）Ma, Shudeng; Li, Xiao; Huang, Shuai; Hu, Jing Hu; Yu, Haifeng * "A Light-Activated Polymer Composite Enables On-Demand Photocontrolled Motion: Transportation at the Liquid/Air Interface", Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201811808

https://doi.org/10.1002/anie.201811808

（2）Li, Xiao; Ma, Shudeng; Hu, Jing; Ni, Yue; Lin, Zhiqun; Yu, Haifeng*, “Photo-activated Bimorph Composites of Kapton and Liquid-Crystalline Polymer Towards Biomimetic Circadian Rhythms of Albizia Julibrissin Leaves”, Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(3), 622-629. (DOI: 10.1039/C8TC05186K)

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/tc/c8tc05186k#!divAbstract

（3）Hu, Jing; Li, Xiao Li; Ni, Yue; Ma, Shudeng; Yu, Haifeng*, Programmable and biomimetic photo-actuator: a composite of photo-liquefiable azobenzene derivative and commercial plastic film, Journal of Materials Chemistry C 2018, 6,10815-10821  (DOI: 10.1039/C8TC03693D)

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc03693d#!divAbstract