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中科院理化所江雷院士、王京霞研究員團隊 AFM：在偶氮苯聚合物薄膜的光驅動連續跳躍機器人方面取得新進展

2024-12-06 來源：高分子科技

跳躍是自然界生物的一種非常有效的運動手段，可以在瞬間穿越中長距離，以實現捕獵及逃避被獵捕的目的。自然界生物跳躍的機理主要有兩種，長腿動物(比如袋鼠和青蛙)主要依靠杠桿作用，使它們能夠用較少的力量跳躍同樣的距離；一些短腿或無腿動物(比如果蠅幼蟲和跳蚤)依靠快速彈射動作釋放儲存的能量來實現跳躍；還有一些昆蟲(比如蚱蜢和沫蟬)同時利用這兩種設計理念(圖1)。其中，磕頭蟲是一種有趣的昆蟲，當被人類捉住時，它們會不斷地用力向前傾斜頭部，仿佛在進行一場無聲的“磕頭”儀式懇求釋放。原來磕頭蟲的前胸背板具有非凡的靈活性。在其前胸腹板的中央稍后部位，有一個尖銳的刺狀結構。每當它的頭部與胸部向腹部彎曲時，這個突出的部分就會巧妙地嵌入到胸腹前緣的溝槽中。當它再次挺胸時，突出體從溝槽中彈射出來，撞擊地面，產生的后沖力足以使其彈跳起來掙脫。由此可見，磕頭蟲那看似虔誠的“磕頭”行為，并非出于對人類的求饒，而是一種本能的自我防衛機制，用以擺脫束縛。如視頻1所示當將它肚皮朝上放在地面，他會來一個鯉魚打挺彈射出去，掙脫捕食者。

受這些自然界跳躍機制的啟發，科學家們利用新型材料和復雜的結構設計，模仿生物系統中的快速能量存儲和釋放過程，制造出了多種創新的跳躍機器人。其中，光響應驅動器具有成本效益高、無線驅動能力強和響應速度快等優點而受到廣泛關注。偶氮苯液晶(LCs)因其偶氮苯介質的反-順式光異構化而成為一種有前途的光響應材料。基于偶氮苯的致動器已從基本的彎曲、扭轉運動發展到在微型機器人和液體運輸中的新型應用。但是，基于偶氮苯的光致動器的高效跳躍行為仍相對缺乏探索。

中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞研究員團隊在前期的工作中，通過設計制備一面為光響應偶氮苯均質膜，一面為偶氮苯反蛋白石的具有Janus結構的光響應驅動材料，實現了在液相中的光驅動性能研究；利用光化學/光熱模式的協同驅動產生多個驅動方向，具有更大的驅動力 (Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2105728; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 12383-12392; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 1727-1739)

近日，該研究團隊受具有特殊卡扣結構的磕頭蟲啟發，他彎曲身體積蓄彈性勢能，然后身體猛然伸直釋放能量實現瞬時跳躍的啟發，設計了類磕頭蟲卡扣結構的光跳躍材料：通過選用具有熱弛豫時間短的偶氮苯分子，制備具有展曲(splay)取向的偶氮苯膜材料，開發了一種Janus光驅動跳躍軟機器人，在紫外線照射下，它能在66.8ms內完成一次完整的跳躍，其跳躍高度可達35個體長(BL)，起飛速度為670 BL/s。所制備的Azo-LCN 薄膜應力為36.27 兆帕，應變為6.5%，可循環使用50 次以上。這項研究將有助于設計新型致動器和拓寬偶氮苯致動器的應用領域，可能為探索、搜索和救援等新應用提供思路。所采用的偶氮苯分子(命名為Azo-A)具有較短的熱弛豫時間(其在90 ℃ 時的半衰期小于1 s)，能夠在光的作用下快速彎曲和恢復，從而能產生快速自主恢復的連續跳躍行為(視頻2)。樣品的splay取向是將樣品的一側分子采取平行取向(PA)而另一側分子采取垂直取向(VA)的模式，從而使樣品在光刺激下產生向PA側的凈彎曲變形。

2024年11月27日，相關研究結果“Click-Beetles-inspired Light-driven Continuous Jumping Robots Based on Janus Azobenzene Polymer Films”為題發表在Advanced Functional Materials上。該文章通訊作者為王京霞研究員。中國科學院理化所博士生況真欣為文章第一作者，中國科學院理化所江雷院士為本研究提供了專業指導和幫助。

圖1. 自然界中跳躍的動物。(a) 袋鼠，(b) 青蛙，(c) 果蠅幼蟲，(d) 跳蚤，(e) 蚱蜢，(f) 沫蟬。

圖2. (a) 如圖1a所示，帶有PA(i)或VA(ii)的液晶聚合物網絡(LCN)在熱刺激下會發生收縮或膨脹變形。制備的樣品具有展曲取向(iii)，材料的一側為PA，另一側為VA。(b) RM23、RM82和Azo-A的分子結構。(c) 磕頭蟲的跳躍過程和相應的Azo-LCN 薄膜的跳躍示意圖。 i) 初始狀態(薄膜向 VA 側微微彎曲)；ii) 骨骼肌緩慢地將彈性能量儲存在身體和胸腔鉸鏈中，使身體處于彎曲位置(“鎖定 ”位置)(內部微變形導致的向PA側的宏觀變形優先使薄膜擺脫初始形狀，變得平整。)；iii) 當觸發時，閂鎖被松開，甲蟲的身體迅速展開(持續的紫外線刺激照射使薄膜向PA側的變形突破初始狀態，累積的變形被均勻釋放，向PA側產生較大的彎曲變形，此時產生的力與桌面相互作用，使其跳起)。(d) Azo-LCN完整跳躍/下落過程的詳細照片和示意圖(含曲率變化)，薄膜在紫外線照射后66.8 ms內跳起27 mm高。

圖3. (a)薄膜的掃描電子顯微鏡圖像，表面頂部掃描電子顯微鏡(左)顯示其表面光滑無裂紋，截面掃描電子顯微鏡(右)顯示其厚度為30 μm。(b) 薄膜的TEM圖像，聚合物的PA面(左)與VA面(右)相比，顯示出明顯的取向。薄膜PA面(c)的原子力顯微鏡圖像顯示了取向方向，薄膜VA面(d)沒有明顯的取向跡象。(e) 薄膜PA的POM結果，0°和45°觀察結果顯示出明顯的明暗變化，表明取向情況良好。(f) 錐光模式下的POM圖像，顯示出代表垂直取向的馬耳他十字圖像。

圖4. (a, b)紫外光從VA(a)或PA(b)側射入時樣品驅動的示意圖和照片，均是薄膜向 PA 側彎曲90°。光線熄滅后，樣品恢復到初始狀態。(c) 薄膜光驅動前后結果示意圖(帶曲率)。插圖是巴掌手鐲在受刺激變形前后曲率變化的照片。(d) 薄膜驅動器彎曲角度隨時間變化的數據，顯示薄膜在光照射3秒內發生了90° 的彎曲變形。關燈后，薄膜的彎曲變形在1秒內恢復。(e) 薄膜驅動器的彎曲角度隨光照強度變化的示意圖，圖中顯示，在光照強度較低時，僅會產生較小的變形，而當光照強度大于1.75 W/cm²時，則會產生快速、巨大和強烈的變形。當功率密度超過1.85 W/cm²時，光源會過熱并損壞薄膜，但薄膜仍能正常工作。(f) 薄膜致動器的循環測試結果，可反復循環100 次而不會產生疲勞。

圖5. (a) 膜跳/落全過程的實際過程。(b) 膜跳躍完整過程示意圖。(c) 膜跳躍過程中高度和速度的變化，最大起飛速度可達 670 毫米/秒(670 BL/秒)，最大跳膜高度為 23.1 毫米(23.1 BL)。(d) 跳躍高度隨光照強度的變化表明，跳躍高度與光照強度成正比，但光照強度超過1.85 W/cm²的過熱光源會損壞膜，但此時膜仍能跳躍。(e) 實時三維薄膜致動變形監測，顏色和數據說明了z軸上的形狀變量，過程可分為三個階段。從過程1的顏色和數據可以看出薄膜向VA側變形并繞x軸彎曲時的初始形狀，展示了用于儲能的結構變形。過程2的顏色和數據顯示，薄膜在紫外線照射下開始向PA側彎曲變形，這涉及到能量存儲，導致應力變化。過程3的顏色和數據顯示，在紫外線的持續照射下，薄膜開始向PA側變形，并繞y軸彎曲。其原因是薄膜中儲存的能量超過臨界值后突然釋放，導致薄膜彈向空中。(f) 通過觀察薄膜的行為分析跳躍原理。紫外線提供能量，能量儲存在Azo-LCN帶中。當點光源照射薄膜時，會產生向下的膨脹力。由于初始形態的原因，薄膜有一個變形能量閾值。當儲存的能量達到閾值時，會突然釋放，產生一個快速向上的合力，導致薄膜跳躍。

圖6. (a) 在紫外線(1.75 W/cm²)的刺激下，條帶機器人可以通過跳躍跳上20 mm高的樓梯，高速攝像機對此進行了記錄。(b) 在高速攝像機的記錄下，該條紋機器人可以模擬投石器，并成功投擲出一個小物體。(c) 本文使用的薄膜跳躍高度和跳躍速度與文獻比較，本研究提出的機器人可跳躍至35 BL的高度，跳躍速度可達0.67 m/s。

研究得到了國家自然科學基金項目(項目編號：52373001, 51873221, 52073292, 51673207, 51373183, 21988102, 22205246)及中荷國際合作項目(1A111KYSB20190072)，陜西省化學與生物學基礎科學研究項目(23JHQ079)，西安理工大學科研基金(109-451023008)等的資助支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202421111

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（責任編輯：xu）

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