隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能材料作為一種能感知外部刺激，分析、識別、判斷并適當處理且具備一定執(zhí)行能力的新型功能材料，將成為支撐未來高科技發(fā)展的第四代材料。近年來，天津大學(xué)封偉教授研究團隊圍繞“光驅(qū)動軟體微型機器人”領(lǐng)域開展了一系列代表性工作，將多種光刺激響應(yīng)形狀記憶材料應(yīng)用于不同形狀的軟體微型機器人，并通過光能與機械能的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了可控驅(qū)動。
近日，天津大學(xué)封偉教授和馮奕鈺研究員在光驅(qū)動軟體機器人領(lǐng)域取得重要研究進展，利用多重氫鍵超分子聚合物作為刺激響應(yīng)形狀記憶材料，成功制備了兼具高可控、高穩(wěn)定和快速自修復(fù)功能的光驅(qū)動軟體機械臂。通過光誘導(dǎo)可逆形變，實現(xiàn)了機械臂可控“抓取”和“釋放”物體，并在驅(qū)動循環(huán)過程中實現(xiàn)了機械臂的快速自修復(fù)。該研究成果以“Controllable and Stable Deformation of a Self-Healing Photo-Responsive Supramolecular Assembly for an Optically Actuated Manipulator Arm”為題，作為封面亮點發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29909）上。
感知、響應(yīng)、可控與自修復(fù)功能是智能材料的核心。光刺激響應(yīng)形狀記憶材料是構(gòu)建光驅(qū)動智能機器人的重要材料之一，其中光誘導(dǎo)可逆形變的可控性和修復(fù)性能是決定其在光驅(qū)動軟體機器人中應(yīng)用的關(guān)鍵。目前已經(jīng)報道了多種基于超分子組裝體系的智能光驅(qū)動器，但受光敏分子異構(gòu)化轉(zhuǎn)變與相互作用的限制，該研究仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)：如何通過限制結(jié)構(gòu)回復(fù)提高光驅(qū)動形變的穩(wěn)定性，如何在驅(qū)動過程中實現(xiàn)快速自修復(fù)性能，達到精確調(diào)控與循環(huán)穩(wěn)定驅(qū)動的兼顧的目標。
多年來，封偉教授團隊在軟體機器人領(lǐng)域開展了一系列代表性工作，利用刺激響應(yīng)聚合物，制作了多種紅外光（ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 10882、J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16453）、溫度和濕度響應(yīng)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 4066）的軟體驅(qū)動器。在此基礎(chǔ)上，研究人員以脲基嘧啶酮衍生物作為超分子基團，制備了含多重氫鍵的四羧基偶氮苯/聚丙烯酸超分子組裝體。多重氫鍵作用不僅限制了順式結(jié)構(gòu)在聚合物基體內(nèi)的自發(fā)回復(fù)（半衰期達到120 小時），同時促進了界面處的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，達到了光驅(qū)動可逆形變的目標（圖1），而且有利于超分子組裝體實現(xiàn)快速自修復(fù)。同時，通過優(yōu)化偶氮苯在超分子聚合物中的順反異構(gòu)體的比例，實現(xiàn)了光驅(qū)動形變及其結(jié)構(gòu)回復(fù)程度與速率的控制。
圖1. 偶氮基光響應(yīng)超分子組裝體的（a）可逆形變及（b）其隨溫度變化過程
研究顯示，刺激響應(yīng)超分子組裝體能在綠光誘導(dǎo)下能發(fā)生不同角度（90o-170o）快速彎曲形變，其速率可達33.75°/s，并且在10天之內(nèi)保持良好的形狀穩(wěn)定性；而且在紫外光照射下能恢復(fù)到初始狀態(tài)（27°/s），在50個循環(huán)后仍然具備良好的可逆性，實現(xiàn)了高可控性和高穩(wěn)定性的兼顧。研究人員制作了基于偶氮超分子組裝體的軟體機械臂，在優(yōu)化其形狀的基礎(chǔ)上，利用綠/紫光的交替驅(qū)動，實現(xiàn)了軟體機械臂循環(huán)可控“抓取”、“釋放”和“移動”物體（圖2）。并且軟體機械臂能在交替運動過程中實現(xiàn)斷裂處的快速自修復(fù)（6分鐘內(nèi)，拉伸強度恢復(fù)到初始的95%）。光驅(qū)動機械臂兼具高可控、高穩(wěn)定和快速自修復(fù)功能，為未來設(shè)計光驅(qū)動智能軟體微型機器人提供了重要的研究方向。
圖2. 光驅(qū)動軟體機械臂“抓取”、“釋放”和“移動”物體過程
該研究成果近日發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29909），第一作者是司倩宇碩士，通訊作者是馮奕鈺研究員，該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目和面上項目的支持。
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