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四川大學張新星教授團隊《Nano lett.》：強韌化可修復的光驅動軟體機器人用于吸附微塑料

2022-06-26 來源：高分子科技

與傳統的剛性機器人相比，軟體機器人具有與人交互性好、靈活性高、柔韌性好等獨特優勢，引起了人們的廣泛關注。綜合考慮操作的實用性和穩定性，集成、輕量化和智能化是軟機器人的發展方向。引入機械手等額外的分離功能模塊，不利于機器人的快速和穩定運行。此外，現有的水生軟體機器人（Nature 2021, 591, 66–71; Sci. Adv. 2017, 3, e160204）多為電機或燃油發動機驅動，難以滿足環境友好和可持續驅動的需求。一些光響應的自驅動水凝膠由于其固有的機械性能差，在復雜的水生環境中容易受到破壞，成為這些微型機器人在實際應用時的另一個主要障礙。因此，如何制備強韌化、可修復的自驅動集成機器人仍然是一個重大挑戰。

圖1 軟體機器人材料結構設計

近日，四川大學與四川農業大學、西北工業大學合作受珍珠質的啟發，通過超分子多尺度組裝制備一種磺化石墨烯基梯度納米結構的彈性體驅動器（圖1）。通過梯度組裝工藝，研究者創新性地引入功能填料與聚合物軟基體之間的多重界面氫鍵。動態氫鍵的斷裂和重組在分子尺度上賦予材料自修復能力和力學增強特性。得到的納米復合材料具有141.19 MJ/m³的超高韌性和89%的室溫自愈合效率。所制備的概念驗證微型機器人最大游泳速度為每秒2.67倍體長，與自然界浮游生物相當，表現優于大多數人造軟體機器人。此外，由于微塑料上的有機染料、抗生素、重金屬等可與機器人上大量的環糊精分子和磺酸基團間有很強的Π-Π相互作用、主客體識別作用和靜電相互作用，使微塑料能夠吸附在機器人表面。因此，制備的機器人能夠多次穩定地吸附污染物，即使受到損傷也能恢復其機械魯棒性和功能。這項研究打破了功能執行和快速運動的互斥性，通過納米結構組裝和超分子相互作用的協同效應，實現集成功能所需的填料高填充與機器人的延展性、穩定性及耐久性的兼顧。研究者相信這種納米結構設計將為其他需要多功能集成的軟體機器人提供有效的指導。

圖2 微型機器人微塑料吸附功能

圖3 機械性能與功能修復

上述工作以“Robust, Healable, Self-Locomotive Integrated Robots Enabled by Noncovalent Assembled Gradient Nanostructure”為題近期發表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01375)上。論文第一作者為四川大學高分子研究所博士生王宇嫣，通訊作者為高分子材料工程國家重點實驗室（四川大學）張新星教授。本工作受《BBC科學焦點》《衛報》《獨立報》《發現》、美國科學促進會（AAAS） EurekAlert等20多家國際報刊雜志媒體邀請采訪并亮點報道。本研究工作得到國家重點研發計劃（2020YFC1909500），國家自然科學基金（51873123, 52173112）和四川省杰青的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c01375

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（責任編輯：xu）

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