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  深海生物的發光機制為仿生設計提供了創新思路。為了滿足深海暗光環境下的探測需求，開發具有高亮度熒光的軟體機器人是實現長期原位觀測的關鍵。將高性能熒光分子加入到水凝膠基質中是一種快速直接的方法，然而這種方法面臨一些問題：熒光分子在物理交聯系統中容易解離，復雜的水環境可能導致材料結構不穩定。這些問題限制了水下設備的熒光穩定性和使用壽命。

  近期，福州大學功能高分子工程技術研究所林騰飛副教授團隊聯合福州大學附屬省立醫院麻醉醫學中心鄭曉春教授團隊，受海洋生物行為的啟發，設計了一種基于共價交聯實現高效熒光的仿生軟體致動器（圖1）。致動器由雙層水凝膠構成：發光層PT4B-N通過凍融法形成，其中TPE-4BA與聚乙烯醇（PVA）發生共價交聯；驅動層PNPC采用光引發聚合法形成，主要成分包括PT4B-N和聚丙烯酸（PAAc）。值得注意的是，發光層以共價交聯結合熒光分子，實現了高光致發光量子產率（PLQY > 60%）。作者構建了不同類型的四苯乙烯（TPE）分子模型用以進一步分析，結合密度泛函理論（DFT）計算和相互作用區域指示函數（IRI），揭示了其高亮度熒光現象源自于分子內旋轉與振動受限效應，這一結果在實際中得到了驗證（圖2，圖3）。

圖1 基于雙層水凝膠結構的仿生軟體致動器的合成路線

圖2 相互作用區域指示函數（IRI）揭示高亮度熒光現象原因

圖3 密度泛函理論（DFT）計算得出前沿分子軌道分布與能級示意圖、靜電勢表面分析圖以及鍵能大小

  由于驅動層中的PAAc在不同pH條件下表現出的溶脹特性（圖4），借助雙層水凝膠間的溶脹差異，致動器可以實現運動控制（條狀水凝膠：最大彎曲角度 ≈ 360°，循環時間≈ 20 min）。雙層水凝膠無需界面粘合劑即可實現層間穩定結合，簡化了制造工藝。實驗結果表明，該器件可以執行抓取、釋放等類似生物的協同熒光和形狀變化行為（圖5），在長時間工作和海水環境下依然能夠維持高亮度熒光性能。

圖4 具有pH響應特性的雙層水凝膠結構及內部相互作用示意圖

圖5 仿生軟體致動器模擬抓取、釋放等類似生物的協同熒光和形狀變化行為

  該設計為深海探測裝備的智能化和功能集成提供了新范式，在海洋原位監測、隱蔽區域勘探及仿生機器人開發等領域具有應用前景。其成果以“A Biomimetic Soft Actuator Achieves Efficient Fluorescence via Covalent Cross-Linking”為題發表在《Small》上（Small 2025, 2503597）。文章的第一作者是福州大學碩士研究生廖世杰和博士研究生董高磊，本文通訊作者為福州大學林騰飛副教授和福州大學附屬省立醫院鄭曉春教授。該研究得到了國家自然科學基金和福建省自然科學基金的支持。

  這項工作是該團隊近期關于熒光水凝膠致動器的制備及應用相關研究的最新進展。在過去的兩年中，團隊在聚集誘導發光水凝膠在光學智能顯示領域取得了一定進展，包括混合編碼多重刺激響應水凝膠（ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6, 1422-1428）和稀土離子摻雜多色熒光響應水凝膠（ACS Appl. Polym. Mater. 2025, 7, 700-709）在防偽、信息加密等方面的應用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202503597

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