第一作者：张鸿博博士
通讯作者：周亚红副研究员，丁春梅副教授，李建树教授
通讯单位：四川大学高分子材料工程国家重点实验室，中国科学院仿生材料与界面科学重点实验室，四川大学口腔疾病国家重点实验室，四川大学Med-X材料中心
论文DOI：10.1002/adma.202311446
到目前为止，设计既能精确高效导航又能长期消除水体污染物的界面漂浮机器人仍然是一个难点。该工作报道了一种智能自清洁超疏水机器人，该机器人由铁氧矿物-Bi2S3异质结集成，提供了精确高效的光-磁双驱运动，以及基于光-磁协同的催化降解能力。水上机器人在光的协调下，利用热Marangoni推进显示出高速稳定的运动（在300 ms的加速时间内运动速度达到51.9 mm/s，撤去光源后在200-300 ms内迅速制动），同时，磁力拓展了该机器人在任何可编程轨迹的广泛表面张力范围内的工作。更重要的是，光触发光热效果和磁感应作用的耦合，加快了催化降解中的反应速率和传质过程，并实现了铁氧矿物-Bi2S3异质结中光生载流子的有效分离，使得水体污染物的降解效率比纯铁氧矿物提高了8倍，克服了高效运动和超疏水催化活性之间的矛盾。作为概念验证，模拟了分布障碍物、以及含有表面活性剂和有机污染物的复杂水域。该水上机器人可以在不同的场景下灵活切换驱动模式，完成复杂的可编程运动，并移动到污染水体进行高效的原位净化。该工作为智能的自推进式多功能设备提供了指导，并有望应用于催化、环境科学和机器人系统领域。
界面漂浮机器人在载体、环境监测、水处理等领域有着广阔的应用前景。无线漂浮运动通过光、磁场、化学燃料和气动力等多种推进策略来实现。其中，光热Marangoni驱动具有响应快、成本低、环保等优点，同时超疏水特性可以降低运动过程中液/固界面之间的阻力。然而，此类水上机器人面临着两大挑战：（1）缺乏高效可控性，如极快的响应、高速的驱动行为、宽泛的表面张力适用性等；（2）长期使用中的环境适应性被忽视。虽然超疏水特性极大降低了水上运动的阻力，但同时也牺牲了表面的化学反应活性，基于超疏水表面对有机污染物的敏感性和自身催化的惰性，机器人在动态驱动中很难消除污染物。因此，开发适用于复杂环境、具有较强的可漂浮性、既能精确高效导航又能长期消除水污染物的智能机器人具有重要的意义。
1. 水上机器人的快速启动（~220 ms）、制动（~290 ms）和高速运动（在300 ms的加速时间内达到~51.9 mm/s），优于文献报道。
3. 在光触发光热效果和磁感应的协同作用下，通过提高超疏水表面所保留纳米活性区域的催化活性，有效地实现了污染水体的原位净化。
图1. 基于复合矿物膜的水上自清洁机器人的设计示意图。
最佳的矿化条件通过调节Bi2S3@PDA的浓度来确定（图2a-b），结果表明CMM-2组别的Bi2S3@PDA含量对于其在矿物层中的集成和共组装是最优的，最终矿物层组分为磁铁矿、针铁矿和Bi2S3（图2g），并保留了分级微/纳米结构（图2c-f），显示出优异的光热性能（图2i）和显著的磁性（图2h），为后续应用提供了坚实的基础。
基于具有最佳光热转换性能的超疏水CMMS-2（图3a和c），水上机器人表现出最短的响应时间（图3b）和最高的运动速度，并且与其他已报道材料体系的水上机器人的平均速度相比，该机器人速度高达51.9 mm/s，约为自身长度的14倍，处于优异的水平（图3d）。利用光驱模式，机器人可实现精细复杂的可编程轨迹运动（图3e-h），比如顺时针旋转、逆时针旋转、直线、“S”曲线、“勺子”、“滑雪运动员”、“海星”和“太极双鱼图”图案。此外，基于超顺磁性铁氧矿物，机器人可通过外部磁场驱动（图3i-j），克服了光热Marangoni驱动失效的局限。
在催化过程中，除了铁氧矿物的类Fenton反应产生活性氧外，铁氧矿物-Bi2S3异质结的构建通过促进光生电子-空穴的分离进一步提高了催化效果（图4c），同时磁场能够进一步优化自旋极化电子的平行排列，抑制具有反平行自旋方向的羟基物种之间的结合，更有利于光催化性能（图4h），再协同磁力旋转和光热效应带来的反应速率和传质过程的增强（图4a-b），最终实现了优异的催化降解效果（图4d）。在该催化体系中，主要的活性物种是⸱OH和1O2（图4e-g）。此外，在经过催化循环后，其活性并未下降，体现出良好的稳定性（图4i），是水上机器人长期应用的保障。
超疏水复合矿物异质结集光热、磁性和优异的催化性能于一体，使其能够在具有挑战性的条件下实现可靠的应用，比如在含有障碍物、表面活性剂和有机污染物的水体中（图5a）：在水域I，机器人以光驱模式绕过水面上的障碍物（图5b），在光热Marangoni失效的水域II，机器人以磁驱模式继续运动（图5c），最终，机器人在NIR辐照和磁力旋转下对污染水体进行净化（图5d）。此外，机器人在真实的河水中仍然可以保持高效的运动性能（图5e-f）和净化效率（图5g）。
该工作开发了一种水上超疏水机器人，具有高效的运动性能，并在具有挑战性的水环境中显示出优异的净化活性，可功能化为自推进式净水机器人。利用磁辅助策略，铁氧矿物-Bi2S3异质结在薄膜上组装为分级结构，并通过调节矿物的形貌和Bi2S3的含量以获得最佳的光热性能，从而实现基于光热Marangoni效应的高速精细运动，同时利用光热温度的快速转变，实现了机器人的快速启动和制动。此外，作为一种互补的驱动方式，铁氧矿物的磁性保证了其在磁场引导下的任意运动。最终，得益于光和磁的协同作用，水体污染物的降解效率比纯铁氧矿物组提高了8倍。作为概念验证，我们准备了含有障碍物、表面活性剂和有机污染物的复杂水域，该机器人可以在不同水体环境下灵活地切换驱动模式，完成复杂的可编程运动，并移动到污染水体进行高效净化。这项工作为智能的自推进式多功能设备的发展开辟了一条道路，并在催化、环境科学和机器人系统等领域具有潜在的应用前景。
李建树，教授、博导，四川大学高分子科学与工程学院医用高分子材料系、四川大学华西口腔医院双聘教授；国家杰出青年基金获得者（2019年）、国家优秀青年基金获得者（2013年）、教育部新世纪人才、霍英东基金获得者、四川省学术和技术带头人、四川省杰青、中国生物材料学会生物材料表界面工程分会副主任委员、中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员、四川省口腔医学会口腔材料专委会副主任委员、四川省科青联理事。主持包括国家自然科学基金重点项目在内的多项研究课题，在Progress in Polymer Science, Advanced Materials 和Biomaterials等期刊上发表学术论文近200篇，获批专利32项；担任International Journal of Biological Macromolecules、Journal of Bioresources and Bioproducts等国际期刊的副主编和编辑；已获医疗器械注册证9项，创立爱睿康医疗以增强国产口腔医学材料的竞争力。
丁春梅，高分子科学与工程学院，副教授，博导。主持国家自然科学基金面上2项、青年项目1项，四川省科技厅、国家重点实验优秀青年人才项目、四川大学科技领军人才培育项目等项目9项，2022年入选四川大学“双百人才B计划”。在Energy Environ Sci, Angew Chem Int Ed, Adv Funct Mater, Adv Sci, Small, Chem Eng J等学术期刊上发表论文67篇，文章引用1200余次，H指数22，近五年发表SCI文章37篇，其中一作/通讯26篇。申请国家发明专利16项，已授权12项。担任Nano Today, Adv Sci, Bioact Mater, ACS Appl Mater Interfaces等期刊审稿人。
张鸿博，四川大学高分子科学与工程学院医用高分子材料系，2023级博士研究生，研究方向为限域空间调节的矿物生成及应用。
李建树教授/丁春梅副教授团队致力于仿生矿化的研究及应用，在前期研究工作的基础上（Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201795; Chem. Eng. J., 2022, 429, 132491; Small, 2022, 18, 2106649; J. Mater. Chem. B, 2021, 9, 8646; J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 5237.），提出通过控制受限空间的化学反应过程，调节晶体的成核生长，实现对矿物形貌和功能的调节，相关研究成果有望用于硬组织修复（龋病治疗、骨缺损修复）、光热、催化等领域。
详情可见课题组网站：https://www.jianshu-scugroup.com/
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