兰州化物所周峰研究员、于波研究员 ACS AMI：面向多应用场景的多功能仿弹涂鱼光驱动机器人

图1. 多功能仿弹涂鱼光驱动机器人示意图

近日，中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员，于波研究员在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了关于多功能光驱动和多场景应用仿生机器人的相关研究。本工作提出了一种基于多孔PDMS（聚二甲基硅氧烷）和GO（氧化石墨烯）的仿生光响应性驱动薄膜，由于多孔结构的存在使驱动器更灵活、更轻巧，其空气中弯曲响应时间大大缩短，弯曲振幅进一步增大。此外，多孔结构提供了更大的接触面积和良好的界面机械锚固点，这为驱动器提供了优良的界面粘结强度和高导热效率，同时赋予薄膜优异的抗溶剂特性。在光的刺激下该驱动薄膜可以迅速的在水面游动，由于光热效应的影响，薄膜光照区域液体的表面张力变小，形成梯度张力，进而驱使薄膜朝向高表面张力方向移动，即马兰戈尼效应。

图2. (a₁) 弹涂鱼光学照片 (a_2-3)弹涂鱼游泳/爬行/跳跃行为示意图；(b) PDMS/GO驱动薄膜制备示意图；(c, d) 自组装PS微球模板表面和断面SEM图像；(e) PS模板去除后多孔PDMS膜的SEM图像；(f) PDMS/GO驱动薄膜光学照片。

作者进一步研究了马兰戈尼效应对薄膜在水面运动的作用机理（图 3a）。游泳速度显示，开灯1 s后装置开始在水面上移动，1.5 s时达到最大值28 mm.s^-1，3.5 s后逐渐减小并停在水面上。此外，使用红外热像仪记录了驱动过程中温度变化的红外图像（图 3c）。为了更好地了解驱动过程的工作机制，使用ANSYS软件建立了有限元模型来计算薄膜的温度和应力场。根据模拟结果（图 3d），薄膜的温度在 0-1 s 内随时间升高，在 1 s 内温度达到 30 ℃（最大值）。温度在 1-3.5 s 内逐渐下降，3.5 s 结束时最高温度低于 21 ℃。因此，根据表面张力与温度的定量关系，可以得到薄膜外缘的表面张力。图 3e 基于表面张力和温度之间的定量关系显示了致动器边缘附近的表面张力。根据马兰戈尼效应，边缘的表面张力随温度降低。当薄膜被照射时，温度迅速升高，而未照射区域的温度升高相对缓慢。结果，出现了表面张力差，由表面张力差引起的驱动力驱使薄膜从表面张力低的区域向表面张力高的区域移动。

图3. 驱动薄膜液面运动应为机理研究。(a) 光刺激下驱动薄膜在液面游动示意图；(b) 游动速度随时间变化曲线图；(c) 运动过程的不同时刻薄膜及液体介质红外图像；(d-e) 有限元模拟薄膜运动过程温度场和表面张力场；(f) 加速度和驱动力随时间的变化曲线模拟。

图4. 光导自主行进的多模态运动PDMS/GO装置结构示意图。(a) 可沿着预设路径自行进的装置示意图；(b) 由 15 片三角形 PDMS/GO 薄膜组成的螺旋桨形装置；(c) PDMS/GO 薄膜可以通过打开和关闭 NIR 灯在乙醇下爬行；(d) PDMS/GO 薄膜从乙醇溶液到空气的跳跃。

由图4可知，通过合理的设计和对光的有效控制，驱动薄膜可以在水面上沿预先设计的路线完成直线、转弯、旋转和后退等运动（图4a-4b）；也可以在固定光源照射下像游轮螺旋桨一样自行旋转运动（图4d）；驱动薄膜还可以克服乙醇溶液的阻力，完成液下爬行（图4c）。更让人惊奇的是，光刺激下驱动器可以在极短的响应时间（400 ms）内从液体介质跳越到空气中，最高速度为2 m/s，高度可达14.3 cm（图4d）。

研究人员以弹涂鱼为灵感，利用多孔PDMS和GO成功地制备出一种具有光响应特性的驱动薄膜。通过合理的设计和对光的调制，该驱动薄膜可以像弹涂鱼一样具备在空气介质中弯曲、空气/液体界面游动、液体介质跳跃等行为。广泛地说，这种兼具多功能驱动行为和多场景应用特性的驱动器对光响应材料的简单模块化结合意义巨大；对仿生驱动器的进一步开发和在微型机器人、传感器和响应性运动等领域的应用提供一定的参考和借鉴。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，向阳阳为文章的第一作者，周峰研究员，于波研究员为通讯作者。