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  自然界中的水棲生物能夠通過多種運動方式在液體介質中自由運動，如魚類鰭的擺動、海龜四肢的拍打、頭足類動物的噴氣推進等。受到水棲軟體生物的啟發，近年來，研究人員利用智能軟材料開發出了一系列能夠響應外界刺激的水棲軟體機器人，它們在外界刺激下（如電場、磁場、光、熱、濕度等）能夠在水中或水面上運動。水上行走是自然界中某些生物特有的運動方式，例如，水黽的腿上覆蓋著大量定向的剛毛和細小的納米溝槽，這種顯著的微納分級復合結構賦予其超疏水性，使它們能夠毫不費力地站立在水面上；此外，水黽會像劃槳一樣擺動它們的腿，在水中制造出螺旋狀旋渦，借助旋渦的推動力在水面上快速行走。受水黽水上行走機制的啟發，科學家們設計并制備了電場驅動的水上行走軟體機器人。光能作為一種綠色能源，能夠實現遠程、時空等精確控制，然而，如何實現光驅動水上行走軟體機器人是目前所面臨的挑戰。

  近日，天津大學封偉教授團隊（FOCC實驗室）開發了一種仿生水黽光驅動水上行走軟體機器人，將光響應液晶聚合物（LCN）薄膜作為“腿”為其提供驅動力，而具有微納分級結構的超疏水表面為其提供支持力使其能夠漂浮在水面上。作者首先設計并制備了可紫外光聚合的超小金納米棒單體（MiniGNRs nanomonomer），將超小金納米棒原位交聯到LCN中獲得超小金納米棒復合液晶薄膜（MiniGNRs-LCN）。在近紅外光（NIR）照射下，由于MiniGNRs優異的光熱效應，MiniGNRs-LCN薄膜迅速發生彎曲形變，進而帶動末端的超疏水片對水產生向后的推力，在反作用力下，軟體機器人朝著相反的方向運動，通過光操控可以實現水上持續行走。利用MiniGNRs可調的波長選擇性，作者制備的三“腿”軟體機器人能夠在不同波長的光照下，分別朝著三個方向行進，并進一步將它應用于物體輸送。相關成果以“Bioinspired light-fueled water-walking soft robots based on liquid crystal network actuators with polymerizable miniaturized gold nanorods”為題發表在《Nano Today》上。論文第一作者是天津大學博士生楊瀟，天津大學王玲教授和封偉教授為本文通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

圖1. 自然界中的水黽及仿生水黽光驅動水上行走軟體機器人

  為了實現MiniGNRs在LCN中的均勻分散，研究人員依次通過包覆介孔二氧化硅、氨基功能化和有機小分子6OBA的共價鍵合，設計并制備了一種可聚合的MiniGNRs納米單體（如圖2）。TEM圖像中可以清楚地看到MiniGNRs納米單體表面存在均勻的介孔硅層。未經修飾的MiniGNRs的尺寸長為21 nm，寬為5 nm，在815 nm處有強烈的吸收峰；而MiniGNRs納米單體的吸收峰略微紅移，這是因為硅殼形成后MiniGNRs周圍介質的局部折射率增加導致的。此外，所制備的MiniGNRs納米單體具有優異的光熱性能。

  之后通過MiniGNRs納米單體與液晶單體的原位自由基聚合制備了一個光響應的MiniGNRs-LCN復合薄膜（如圖3）。薄膜內部具有展曲取向，在NIR照射下，光熱效應引發液晶基元的有序度降低，使薄膜平行取向一側收縮，垂直取向一側膨脹，進而實現了快速可逆的彎曲形變。當光強為300 mW cm^-2時，薄膜表面溫度在2.5 s內可達74 ℃，彎曲角度可達116°。

圖2. MiniGNRs納米單體的制備和表征

 圖3. MiniGNRs-LCN復合薄膜的制備和驅動性能

  光驅動MiniGNRs-LCN復合薄膜的快速彎曲形變可為器件提供驅動力。此外，為使器件具有水上漂浮能力，研究人員以泡沫銅為基底制備了具有微納分級結構的超疏水表面，并將其與MiniGNRs-LCN復合薄膜組裝到一起，制備了一個仿生水黽的水上行走軟體機器人（如圖4）。在NIR照射下，薄膜迅速發生向下的彎曲，同時向后產生一個瞬時的推力，進而驅動器件向前運動。關閉NIR后，器件逐漸停止運動，通過周期性開關NIR，能夠實現器件持續的水上行走過程。光照強度和接觸角是影響器件運動速度的關鍵因素。在300 mW cm^-2 NIR照射下，接觸角為156°時，器件在15.8 s內實現了總運動距離約8.9 cm，平均速度約5.7 mm s^-1。

圖4. 紅外光驅動單“腿”軟體機器人的單向水上行走

  作者進一步嘗試實現器件的可控多方向水上行走過程。首先通過調控MiniGNRs的尺寸，合成了三種吸收峰分別位于544、664和836 nm的MiniGNRs納米單體，它們能夠分別響應520 nm綠光、655 nm紅光以及808 nm 的NIR，并進一步通過自由基聚合將它們分別原位交聯到LCN中。在不同波長的光照下，只有與其波長相匹配的MiniGNRs-LCN薄膜才會發生彎曲形變，證明了摻雜不同MiniGNRs的LCN薄膜具有選擇性光響應性（如圖5）。基于此，研究人員最后制備了一個三“腿”水上行走軟體機器人。在不同波長的光照下，器件能夠分別朝著三個不同方向運動，并將其應用于定向的物體運輸。

圖5. 多波長光照下三“腿”軟體機器人的多向水上行走

  研究人員將原位交聯MiniGNRs的液晶復合薄膜與具有微納分級復合結構的超疏水材料相結合，制備了一個新型的仿生水黽的光驅動水上行走軟體機器人。在NIR照射下，基于MiniGNRs-LCN復合薄膜光致形變力的水平動量傳遞，軟體機器人能夠在水面上快速行走，最快速度可達5.7 mm s^-1。利用MiniGNRs可調的波長響應性，實現了軟體機器人在多重光照射下的水上多方向行走，并將其應用于物體運輸。該工作為具有復雜時空驅動的水棲軟體機器人的設計提供了新的思路，在環境監測、海洋工業和未來海洋等領域具有潛在的應用價值。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101419