在自然界中，生物系统能够高效利用环境中低密度的能量（如体温、环境热量）来实现持续的宏观运动，例如沙门氏菌通过动态离子配位实现鞭毛的自主摆动。然而，人工系统往往受限于高能量需求、复杂控制机制以及材料在持续刺激下的稳定性问题。传统方法要么需要频繁切换外部刺激，要么依赖激光、强热源等高密度能量输入，限制了其在真实环境中的应用。如何在低能量密度环境中实现持续、自驱动的运动，一直是软体机器人与智能材料领域的重大挑战。
2025年11月5日，相关论文以“ Dynamic Bonding Enabled Ambient-Driven Motors”为题发表在 Angewandte Chemie International Edition上。
该研究开发了一种基于新型超分子 PDMS 材料的配位马达振荡器（CoMO），其热膨胀能力是普通 PDMS 材料的25倍，被动层材料的近2000倍。CoMO能利用低至体温的环境能量可逆解离配位交联，将分子跃迁转化为持续的宏观振荡。其普适性通过CoMO的集体行为放大宏观运动。此外，这一原理为开发具备多模态运动和适应不同地形能力的环境驱动配位马达机器人（CoMbot）提供了可能。这种动态化学跃迁实现了自维持系统的化学-机械耦合，为构建具备卓越性能的过渡-机械转换材料系统和软机械开辟了新途径。
图文介绍
从沙门氏菌鞭毛运动的分子机制中获得灵感，设计了一种基于铕离子（Eu³⁺）与2,6-吡啶二亚胺（Pdimi）之间动态配位的软材料。这种动态配位键在加热时迅速解离，冷却时快速重组，类似于细菌鞭毛中MotA-离子-MotB的可逆相互作用。将这种Eu-Pdimi-PDMS作为主动层与纤维素纸被动层结合，构建出CoMO振荡器。其能够在等温热源（如60°C）上实现稳定、自持续的上下摆动，频率约为0.18 Hz，振幅达17°。
图1. 受沙门氏菌自持运动鞭毛启发的振荡CoMO与自主CoMbot的示意图。a) 显微机制图示：鞭毛的振荡由细胞膜蛋白的化学机械耦合产生的扭矩维持，该扭矩源自MotA蛋白与MotB蛋白之间可逆的动态离子（H+或Na+）结合。b) CoMO的仿生振荡主要源于化学机械耦合，通过高度可逆的Eu-Pdimi动态配位相互作用，实现了活性层材料（Eu-Pdimi- PDMS）的热膨胀收缩循环。c) 结构图示温度波动时Eu（pdpmi）2³⁺的可逆解离与结合过程。d) Eu（pdpmi）2³⁺的温度相关FT-IR光谱。
该材料在温度变化下表现出显著的模量变化（20°C至120°C模量下降超过500倍），并且其松弛时间随温度升高急剧缩短，说明配位键具有高度动态性。这种特性使得材料具备极大的热膨胀系数（6.38×10⁻³ K⁻¹），远高于普通PDMS，为宏观运动提供了基础。
图2. Eu-Pdimi- PDMS 的高动态特性。a) Eu-Pdimi- PDMS 的合成与结构示意图。b) 随温度升降，Eu-Pdimi- PDMS 发生可逆解离与重组的示意图。c) 以20℃为基准温度绘制的Eu-Pdimi- PDMS 主曲线，通过将20、40、60和80℃测得的储能模量（G‘）与损耗模量(G)数据进行时间-温度叠加处理获得。d) 通过G’与G在不同温度下的交叉点估算的Eu-Pdimi- PDMS 弛豫时间。e) Eu-Pdimi- PDMS 的G‘与G随温度变化的函数关系。
CoMO的振荡机制源于其内置的“化学-机械耦合”反馈循环。当CoMO靠近热源时，主动层受热膨胀，使其向上弯曲并超越平衡位置；随后因远离热源而冷却，配位键重组导致收缩，并在惯性作用下向下回摆，形成持续的周期性运动。值得注意的是，整个过程中温度变化仅约2°C，显示出其对微弱能量输入的高灵敏度。
图3. 动态键合实现了将分子跃迁转化为宏观振荡的化学-机械耦合。a) CoMO内置化学-机械耦合机制示意图。b) 图像；c) 60°C等温热源下振荡CoMO的弯曲角时间分辨图。比例尺：5毫米。d) 60°C等温热源下CoMO表面温度与弯曲的实时追踪，清晰呈现化学-机械耦合现象。
还探索了不同金属离子（如Al³⁺、Zr⁴⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）对振荡行为的影响。结果显示，只有配位键较弱、动态性高的系统（如Eu、Al、Zr）才能实现持续振荡，而键能较强的Zn与Fe系统则无法自振荡。有限元模拟进一步表明，材料的热膨胀系数对振荡性能的影响远大于模量，强调了提升材料动态性的重要性。
图4. 粘接动力学对化学-机械耦合的影响。振荡的a) Zr-Pdimi- PDMS 执行器，b) Al-Pdimi- PDMS ，c) Zn-Pdimi- PDMS 执行器，d) Fe-Pdimi- PDMS 执行器在60°C等温热源下的图像和时间分辨弯曲角度。通过有限元模拟揭示了活性层材料的模量和热膨胀系数（α）对振荡e) 幅度，f) 频率，以及g) 输出能量的影响。这两个参数在同一基线附近以相同百分比（±10% 和 ±20%）变化。
CoMO展现出广泛的环境适应性，可在30°C至100°C的温度范围内稳定工作，甚至能利用人体手掌的热量实现振荡。通过串联多个CoMO单元，研究团队成功放大了振荡幅度，并实现了多自由度运动模式。此外，通过结构设计，CoMO还可实现螺旋式往复运动或驱动齿轮旋转，展示了其在多种工作模式下的通用性。
图5. 化学机械耦合的适应性、普适性与振荡放大效应。a) 示意图展示了调控CoMO振荡的主要因素。b) CoMO在不同温度等温表面的振荡幅度与频率，彰显了化学机械耦合的宽温适应性。误差线表示5次独立实验均值的标准差。c) 利用体温实现自持振荡。d) 螺旋形CoMO的往复振荡运动与 e) CoMO-齿轮系统的正弦扭矩输出，共同验证了化学机械耦合的普适性。f) 末端相连CoMO协同效应实现的化学机械耦合振荡放大图像及其对应时序位移状态。比例尺：5毫米。
这些机器人能够在不同表面上利用环境热量实现尺蠖式或章鱼式运动，并在户外花岗岩、窗台、电脑主机、汽车引擎盖等多种真实环境中成功运行，验证了其在实际场景中捕获并利用低密度环境能源的能力。
图6. 通过化学-机械耦合实现环境驱动的自主行走协作机器人。a) CoMbot I实现自主单向蠕虫式行走的机构原理与示意图。b) CoMbot II和CoMbot III的自主单向运动示意图及高速运动实拍。c) 十字形软体机器人CoMbot IV自主单向章鱼式运动的示意图与实拍。d) CoMbot IV在模拟等温热源上的自主运动；e) 利用室外环境热能实现自主运动的实拍。f) CoMbot通过利用环境热能或废热，在窗台、阳光照射的地板、电脑操作台和汽车引擎盖上实现自主移动。比例尺：10毫米。
原文链接
https://doi.org/10.1002/anie.202518011
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