自然界中，刺激响应性驱动现象非常普遍，比如向日葵在白天因为生长素在茎两侧的分布不对称会从东到西面向太阳；松塔中弹簧微管和方形微管的吸湿变形差异可以使松塔在长期干燥的环境中开口更大；捕蝇草在猎物进入到陷阱后，叶片因受到不对称的液压力会迅速关闭以捕捉猎物。受自然界启发，研究人员陆续开发出了众多刺激响应性驱动材料，比如形状记忆聚合物，液晶聚合物，水凝胶等。由于它们可以将环境中的能量有效地转化为机械能，从而在软机器人、环境监测、生物医学、纳米催化、传感等方面产生了广泛的应用。然而，当处于恒定环境中时，刺激响应材料会在形变过程中逐渐达到平衡状态，并最终停止运动。这极大限制了它们在无需人工干预的非受控环境中的应用。因此，开发能在恒定环境中自发实现连续性响应驱动的新型材料与策略非常重要，这将为在无人系统中实现自主驱动提供可能。
近日，中科院理化技术研究所王树涛/张飞龙团队在国际著名期刊《Advanced Materials》上发表了题为“Strategies for Continuous Responsive Motion in a Constant Environment”的综述论文，系统总结定义了四种可以在恒定环境中实现连续性响应驱动的策略，包括Belousov-Zhabotinsky（B-Z）反应策略、自阴影效应策略、梯度刺激场策略和基于复杂装置策略，并深入探讨了这四种策略的基本原理、适用范围、优缺点、应用及挑战等。
图1 恒定环境中连续性响应驱动策略的发展
作者首先按时间顺序总结了恒定环境中连续性响应驱动策略的发展并按照基本原理将策略总结定义为四种：
1．B-Z反应策略：利用B-Z振荡反应中催化剂（如Ru(bpy)₃²⁺）价态的周期性变化所导致的亲水性振荡，驱动凝胶在反应溶液中实现自主的膨胀与收缩。
2．自阴影效应策略：光响应材料在光照下变形后遮挡光路，导致原照射位点在阴影中体积恢复，体积恢复导致原照射位点再次暴露在光照下，形成循环运动。
3．梯度刺激场策略：在湿度或温度梯度场中，材料因受到的梯度刺激而发生不对称变形引发重心偏移，实现连续性滚动或翻转。
4．复杂装置辅助策略：通过机械设计（如滑轮系统）将响应材料作为机械装置的一部分，通过建立其接收刺激与运动行为之间的负反馈回路，帮助响应材料实现持续运动。例如由液晶弹性体制备的滑轮履带在紫外光照射下发生反-顺异构化产生局部收缩力，使右侧滑轮逆时针旋转。再经过可见光照射后会发生顺-反异构化产生局部膨胀力，驱动左侧滑轮逆时针旋转。由于每部分LCE层发生反-顺式异构化后都会由于滑轮的转动再经红外线照射引发顺-反式异构化，因此整个旋转过程得以持续进行。
图2 通过基于复杂装置策略实现连续性响应驱动
接着对四种策略的基本原理、影响因素进行了深入探讨。例如在自阴影效应策略中，作者以含光热剂的温敏材料的响应振荡为例，将一个振荡周期分为了四个阶段：第一阶段（State I→State II)、第二阶段（State II→State III)、第三阶段（State III→State IV)以及第四阶段（State IV→State I）。第一阶段主要是光产热驱动变形的过程。大的光照强度、低的光热剂透光率、高的光热转化效率会提高产热效率促进响应薄膜变形进而减少第一阶段的时间。热响应材料快的响应速度、大的热膨胀系数以及光热剂与热响应材料之间的大的热导率会提高热-机械转化效率，提高第一阶段的摆动速度和减少第一阶段的时间。第二阶段开始进入阴影区。该过程主要是第一阶段存储的热量的消耗和散失过程。光热剂大的散热系数，热响应材料大的散热系数和小的热膨胀系数会加快第一阶段存储的热量的散失，减小第二阶段的热-机械转化效率，从而减小第二阶段的时间和幅度。第三阶段主要由散热主导的形变恢复过程。光热剂和热响应材料大的散热系数会提高散热效率。热响应材料大的热膨胀系数会加快形变恢复过程从而减小第三阶段的时间。第四阶段会再次暴露在光下，向光一侧在光刺激下发生收缩，因此是一个光产热抑制变形的过程。该阶段的影响因素与第一阶段类似。在该过程中，大的光照强度、低的光热剂透光率、高的光热转化效率、热响应材料大的热膨胀系数等会阻止散热过程导致的温度的下降，从而减小该阶段的时间和幅度。四个阶段的时间决定了连续性振荡的频率，两个滞后阶段（第二阶段和第四阶段）的幅度决定了连续性振荡的幅度。
图3 通过自阴影效应策略实现连续性响应驱动的原理示意图。每个振荡周期可以分为四个阶段（State I- State II, State II- State III, State III- State IV, State IV- State I）
进一步，作者分别总结了四种策略的优缺点。B-Z反应策略是依靠振荡反应中物质的振荡来实现反应性凝胶的振荡，因此该策略仅适用在振荡反应溶液中。自阴影效应策略和梯度刺激场策略都依赖材料自身运动行为与作用于材料的刺激之间的相互作用，以实现持续响应运动。因此要求材料必须对刺激具备高度敏感性并可发生显著形变。而基于复杂装置策略成功克服了自阴影效应策略和梯度刺激场策略的局限性，降低了对响应材料刺激敏感度和形变幅度的要求。但该方法也存在设计复杂、制造成本高、适用性差及机械磨损等问题。
恒定环境中的连续性响应驱动体系因为可以在无人环境中实现自发连续驱动，因此适用于货物运输、致动器（地面、空中、水下）、小功率发电等多个前沿领域，但也面临诸多挑战有待解决。作者总结了当下所面临的困难挑战并提出了相应的看法和潜在解决方案：
1.目前大多数光响应致动器只能在紫外、红外或可见光等窄波段的高强度刺激下实现稳定的连续运动。而在太阳光下这些系统只能发生不稳定的混沌振荡。这是因为太阳光是面光源且光照强度弱，可通过引入使用凸透镜等光学装置将光线聚焦到一个点上。这种方法不仅增加了光强，还将被照射的区域转化为焦点。
2．目前可选择的刺激响应性材料非常有限。可以通过引入自然界中具有感知刺激能力的细胞和生物组织，借助生物杂交技术实现对刺激信号的感知与转化。
3．尽管在可变刺激响应系统中存在伸缩、反转、扭动、跳跃等多种运动形态，但恒定环境中的连续响应驱动系统的运动形式仍相当有限，大多数系统仅呈现上下振荡运动。可以从四个角度入手：一，刺激系统可以是多个方向或强度的刺激。同时响应系统可以是具有拓扑结构（莫比乌斯环、螺旋等）或区域化响应的系统；二，可以将各种响应材料组合起来，设计和开发能够在不同部位同时对不同刺激做出响应的驱动器，而不是目前仅对一种类型刺激做出响应的方式。三，可以整合多种连续响应运动策略，特别是装置辅助策略。这将实现更复杂和多样化的运动形式，丰富应用场景的范围。第四，可以通过设计应用环境来改变制动器的运动形式。
4．现实环境中大多数刺激都是波动性、复杂性和不可控性，并非严格意义上的“恒定环境”。例如受移动云层和摇曳树木影响的太阳光，受光强变化与气流影响的温湿度。这些因素将会给真实场景中连续性响应驱动策略的应用带来重大挑战。对此，一方面我们可以在响应系统中通过结合基于复杂装置策略调整刺激源，实现现实环境中输入能量的存储、调整和可控释放。另一方面，真实环境中因为不同刺激之间的相互作用所引起的波动经常是此消彼长，结合波动刺激之间的相互关系建立多刺激响应的驱动系统可能会减弱波动刺激所造成的影响。
该综述将为在恒定环境中实现连续性响应驱动的新策略的开发，以及创造更具创新性和实用性的驱动器提供灵感和帮助。中科院理化所博士生王千年为该论文的第一作者，通讯作者为中科院理化所王树涛研究员和张飞龙研究员。该论文得到了北京高等学校卓越青年科学家计划（JWZQ20240102014）和中国科学院B类先导科技专项（XDB1030402）的资助。
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502926
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