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  更無柳絮因風起，惟有葵花向日傾。--這句詩出自司馬光的《客中初夏》，表達的是詩人不愿如柳絮一樣隨風搖擺，而是希望如向日葵堅定不移永遠朝著陽光開放。除了向日葵，自然界中大部分植物也會向光生長，以最大化地捕獲陽光，促進光合作用并有效提高植物表面溫度吸引昆蟲授粉。人們通常把這一能力稱為向光性（phototropism）。在向光行為中，生物體不僅可感知陽光的來向并隨之響應，從而自發地不斷地緊緊追蹤陽光運動，表現了一種自我調節的生物智能。

  于人類，在不同緯度，不同季節和時間，我們的地球表面接收的光強時時變化。地面和各種太陽能設備的表面所接收到的太陽的光和熱能量密度隨太陽入射角度的變化而變化。例如，太陽在于器件表面呈30度夾角照射時，表面接收到的能量密度是其正入射（90度）時的50%。這種入射角所帶來的能量密度降低為人類和多種光學、光熱或光電子設備帶來很大能量損失。為了彌補這種自然入射角度帶來的太陽光/熱能捕獲損失，近年來人們嘗試用微機電系統（MicroelectromechanicalSystems, MEMS）在電腦程序的控制下轉動太陽能電池板或聚光鏡來時時追蹤并面向太陽，并于本世紀初在大型聚光太陽能熱發電站使用。這種技術證明，時刻保持面對太陽直射對太陽能捕獲的提高十分有效，但其能耗及造價依然使其更廣泛的推廣具有局限性。 

  相對此種依靠電機程序控制的方法，生物的“全自動“趨光運動能力自然更勝一籌。如果能夠人造合成材料能展現出這種類似生物體的精確地隨外界刺激信號的方向運動的能力，不僅能大大提高太陽能捕獲，還將對聲/光/磁等各種器件的效率提高，以及建筑、環境、太空、自動系統、機器人等領域產生重大意義。 

  近年來，人們開發了多種具有刺激響應性的材料，這些材料可以在光，電場，磁場，pH或溫度變化下，完成多種響應性形變或運動。然而，這些運動的方向大多不具有由環境刺激信號決定的方向性 (nastic movements)，且隨環境條件（溫度、光強等）的變化而浮動，運動模式也往往呈現不同程度上難以調制的問題。然而，仿生科學家Thomas Speck等在2017年《先進材料》中評論指出：“盡管感性運動（nastic movements，非方向性運動）一直是仿生方法研究的重點，但實現向光運動(tropistic movements，方向性運動) 是一項艱巨的任務；就我們所知，這還沒有實現。” （Adv.Mater.2018, 30, 1703653）

  近期，加州大學洛杉磯分校的賀曦敏團隊在Nature Nanotechnology上報道了一種實現精準穩定的人工向光性的材料設計策略。這一系列被稱為仿向日葵全角度光源追蹤器（SunBOT）的聚合物圓柱形材料可以在廣環境溫度下（零下至零上70攝氏度）自動、即時地探測并跟蹤來自三維空間中的入射光，具有全角度（三維空間任意方位）、高精度（>99%）、快速響應性（毫秒至秒級）、恢復性和自校準性，并且無需輔助電源或人為干預。本文證明了SunBOT能在傾斜的照明條件下，有效維持與垂直入射幾乎相同的能量收集，與傳統的非向光性材料相比具有顯著提升。由于材料的廣泛選擇性，可調節的力學和物理性質，這一人工向光性原理為各種響應性材料和不同應用場景建立了一個廣泛普適的平臺。使其在多種能量捕獲和自動控制，以及太空與海洋領域具有很大潛質。

研究亮點

  1、成功地實現了一個廣泛普適的“人工向光性”原理：基于光響應材料與光的交互產生的負反饋機制，可應用于幾乎各種刺激響應性材料和不同發射性能量。

  2、選用了四種響應材料與光吸收劑的組合實現了不同環境、溫度、角度和光強的向光行為。證實了向光行為的全角度連續追蹤、角度自校正等性能。

  3、開發了一種多物理場耦合的仿真模型，該模型首次可以將光子分布，熱傳遞，質量擴散和機械變形四個物理場進行動態耦合。它能夠精準地預測人工向光各個參數和幾何形狀的時間演化，為理解機理和提供預測和未來設計拓展提供了有效的手段。(與亞利桑那州立大學工程院姜漢卿教授和加州大學洛杉磯分校機械工程系Laurent Pilon教授合作完成)

  4、在全球不同維度國家和地區，不同季節和時間，能提高全年平均太陽能捕獲量的2-3倍。在太陽能水蒸發（SVG）的實際應用中展示出，在斜入射下仍能保持與正入射下相類似的效率，遠優于沒有趨光能力的系統。這證明其有效彌補了斜入射帶來的能量損失，并展現了“人工向光性”的可行的應用途徑之一。

  向日葵是一個非常有趣的植物，幼年的向日葵白天會緊跟太陽的方向。這樣做的原因是花盤能收集更高的光功率密度（power density），升高溫度，吸引昆蟲傳播花粉（Science, 2016.353(6299), 587）。于是，本文作者借鑒了向日葵等植物向光捕捉能量的策略，設計了一種智能的向光材料，其表面可以實時自動轉向光源，從而在不同角度上仍能捕獲到具有幾乎相同強度的光，從原理上彌補斜角度能量密度損失（OEL）的問題 (圖1b)。 

▲圖1. （a）向日葵和具有人工向光性的仿生全角度光源追蹤器（SunBOT）；（b）通過向光性補償斜角度能量密度損失，維持高能量捕獲。

  向日葵的向光機理是莖的受光強度不同而引起了莖內生長因子的遷移，使得背光部分加速生長，導致莖朝向陽光彎曲。這種彎曲的本質是莖沿著直徑方向產生了形變梯度。這里的光響應材料受光收縮，沿著徑向（光入射方向）形成一個形變梯度，從而導致與植物相似的向陽光彎曲。 

  由于向光性實際是個光響應過程，材料設計上本文選擇的是機理較為普遍的光-熱-力的能量轉化策略。材料選用光吸收劑和可恢復的溫敏高分子的復合材料 (圖2 f），即入射光首先被光吸收劑捕獲并轉化為熱能，熱能會引起溫敏高分子材料的形變。將此材料制作成形似向日葵莖的圓柱體（毫米或微米尺寸），便構成了SunBOT。此工作的重大突破在于構建了材料動態自調制的原理：在光與光敏材料互動的動態過程自動建立負反饋機制，從而使得光敏材料自動尋找并穩定到指向光源的方向。此原理可普遍適用于幾乎任何刺激響應性材料和不同能量形態的場景中。圖2f,g展示了這一原理：SunBOT材料高效的光吸收會引起柱體表面的局域溫度升高，在材料內部的形成徑向溫度梯度，導致熱響應材料的形變梯度，從而整個柱體向光彎曲。一旦當柱體彎曲到正對光源后，會引起柱子受光點光強減小，溫度下降，使得柱體形態恢復（微微減小彎曲）。恢復的結果是使光再次照射在受光點，周而復始的形成內置反饋回路，SunBOT柱體自動控制在精準指向光源的動態穩定狀態。從圖2h中也可以看到正背面溫度最終都會達到平衡值，意味著反饋回路的形成。實質上，在動力學上，如果光響應材料的驅動與恢復很快，內置反饋回路將被放大，從而導致材料在恒定光源下的動態振蕩（而非動態平衡）。感興趣的讀者可以閱讀該課題組近期發表在Science Robotics上的光致振蕩水凝膠及其游泳機器人的工作（scirobotics.aax7112）。

▲圖2. SunBOT的設計和機理：（a）AuNP-PNIPAAm水凝膠在水中追蹤光源，初始柱子角度與光源角度最大可以達到150°；（b）PANI-PDMAEMA水凝膠室溫水中；（c）PAm-co-PNIPAAm-PANi水凝膠70℃水中；（d）indigo-LCE空氣中；（e）SunBOT向光具有高精度（誤差<0.2％）；（f）SunBOT光-熱-力制動機理；（h）SunBOT向光機理：受光面與背光面位于材料相變溫度上與下；（g）人工向光性反饋機制。

  為了展示這一向光性原理的普適性，本文共構建了四個材料體系，實現了在不同環境下的向光行為（圖2 a,b）。首先，金納米粒子或還原氧化石墨烯-PNIPAm可以在室溫水中完成全角度垂直方向0-150°，水平方向0-360°向光。作者還選用另一種熱響應水凝膠PDMAEMA和光吸收劑聚苯胺（PANi），也完成了室溫水中的向光。然后，作者對可工作的環境進行了探索和拓展。在溫度方面，實現了低至零下、高至70攝氏度的精確向光行為；在環境方面，脫離了水的束縛，用光敏液晶彈性體（LCEs）實現了在空氣中的快速向光，驅動光強是水凝膠SunBOT的1/3而彎曲速度是水凝膠柱的5倍。

  本文對SunBOT向光性能進行了系統詳實的探究。首先，不同的光斑大小同樣可以使水凝膠柱SunBot朝向光源，同時柱子的幾何形狀會因光斑的大小而變（圖3a,b）。這一現象也被模擬仿真所清晰地證實（圖3c-f）。一個有趣的現象是，這種向光的行為具有”自校正”性能。例如即使SunBOT柱體本身具有不規則的任意形狀，其內置的反饋回路依然能讓柱體聽從光的方向，最終光把柱體‘掰直’（圖3i）。重要的是，SunBOT水凝膠柱是幾何對稱和成分均勻的，很大區別于領域里更常見的薄膜多層制動器結構（bimorph or multilayer）。這樣的設計賦予了它自身可以全方向響應光的能力，無論光源在360度的三維空間里無縫旋轉至任何角度，它都能完美勝任，就仿佛向日葵從早到晚朝向太陽一樣（圖3i）。

▲圖3. SunBOT的向光性能探究：（a-f）SunBOT對點光源和面光源的向光行為的實驗和模擬；（g）人工向光性的自校正能力展示；（h）不同向光入射角的輸入功率的工作窗口；（i）360度水平方位角60°階躍向光展示（俯視圖）。

人工趨光動態實驗與模擬

  向光性的意義在于，無論光來自于何處，都能夠讓材料自身更大程度的捕獲入射光源。基于這一思路，作者將這一向光原理應用于太陽光水蒸發器去改善其本質的光捕獲問題。近年來，太陽光水蒸發器由于其成本低廉，能量轉化效率高而引起人們廣泛關注。很多文章中有報道蒸水膜在室外的工作性能，不乏看到蒸水速率通常早晨偏低，中午到下午時達到了一個峰值而晚上又會下降。由此可以知道入射角度對光強和蒸水效率有很大的影響。對此團隊用這種向光材料設計成了水凝膠柱陣列，每個柱子初始豎直排列，頂部處在水-空氣界面。當光從斜角度入射時，每個水凝膠柱能自動偏向光源，捕獲能源，補償斜角度光功率密度損失的問題。這種具有追蹤光源行為的水凝膠柱陣列在斜角度入射60度時仍能維持90%垂直情況的蒸水效率，而控制組只有50%。并且蒸水效率不隨水平旋轉角而變化，保持穩定狀態。這些都證實了向光性在能量捕獲上的可行性應用。

▲圖4. 人工向光性用于增強太陽能水蒸發器。 （a，b，c）向光太陽能水蒸發器示意圖，實圖和在不同入射光下蒸發器向光行為；（d）1Sun和2Sun條件下SunBOT和平坦表面蒸水性能對比；（e）從0°到360°方位角（入射角= 60°）照射下的SunBOT（rGO）陣列的SVG；（f）SunBOT（rGO）在入射角為60°，垂直入射下和平面控制樣隨時間水質量變化時間變化；（g）SunBOT（藍色實線）和平坦表面（藍色虛線）與角度相關的SVG，增強比例（黑色曲線）的比較。

  此工作從材料設計、向光性能、及應用三個角度進行了研究，力求建立一個系統的人工向光原理。材料設計上，本文展示了四種不同的材料完成在不同環境條件下的向光行為，包括在水下和空氣中，在-3至70攝氏度的環境溫度下，以及在單波長的點光源和寬譜的面光源，以及自然太陽光下，均展示出精準快速的向光運動。這些向光材料展現了可恢復、快響應、全角度追蹤、實時變角度追蹤、自校正、光斑調制等性質。最后，人工向光性被實際應用到太陽光水蒸發器中，力求能從本質上解決因入射角度引起的能量收集密度下降的問題。在未來相信通過一些材料優化，會發展出有更多的材料來實現各種不同的能量捕獲和自驅動體系。它們將滿足更加專業且廣泛的應用需求。期待更多人工向光性的實際應用，例如用于光強增益的太陽能電池板，精準指向性的傳感器，具有生物智能的軟體機器人，可調制的光學器件等。這種方向性響應的原理也廣泛適用于其他的能量形式，例如溫度，pH，電場，磁場等。  

  該研究成果于美國時間11月4日在線發表于Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0562-3)。論文第一作者為加州大學洛杉磯分校材料科學與工程學院前博士后錢小石，博士生趙昱森和Yousif Alsaid，通訊作者為加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系賀曦敏教授。此工作與亞利桑那州立大學工程院姜漢卿教授和加州大學洛杉磯分校機械工程系Laurent Pilon教授合作完成。 

  論文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41565-019-0562-3

  https://robotics.sciencemag.org/content/4/33/eaax7112.abstract

同期Nature Nanotechnology 上線了新聞與觀點：Actuating Smart: https://www.nature.com/articles/s41565-019-0569-9

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