中科大马明明《Nat. Nanotech.》评述：智能驱动！
对于大自然界，人类一直是充满敬畏之情！通过对大自然的深入了解和学习，极大的促进了人类的发展。例如仿生学就是模仿自然界的动植物的一些特有现象，来设计合成特种材料和器件。其实，在自然界一直存在这样一些现象：植物向阳而生，并最大限度地获取能量，这种现象被称为向光性；而有些动物和微生物为了捕食和觅食而靠近或远离光源，这种现象被称为趋光性。目前，机电器件要实现人工趋光性和光性，则至少需要三个功能部件：检测光的传感器、产生运动的致动器、分析信号和控制运动的计算机芯片和程序。然而，通过不依赖外部控制的合成材料实现自主的人工趋光性或向光性仍然是一项艰巨的挑战。因此，中国科学技术大学的马明明教授总结了基于水凝胶材料的人工向光性和趋光性的研究进展。该工作以题为“Actuating smart”发表在“Nature Nanotechology”上。
最近，贺曦敏团队在《Nature Nanotechology》上报道了“Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light”。即基于纳米结构的刺激响应性聚合物制备的人工向光性系统。该系统可以在较宽的温度范围内，在3D方向上对准入射光方向。通过内置于材料的光热和机械特性的反馈环路实现了其自适应。因此，该系统被称为向日葵状仿生全向跟踪器（SunBOT）。更重要的是，SunBOT背后的原理是通用的，可以扩展到许多响应性材料和广泛的刺激中。（报道链接：《Nature》子刊：人工向日葵问世！全角度向光，助力能量捕获）
此外，Yusen Zhao等人在《Science Robotics》发表了“Soft phototactic swimmer based on self-sustained hydrogel oscillator”。文中介绍了一个自持式的软振荡器作为光战术软游泳机器人，可以永久且不受限制的运动，并通过恒定的可见光进行远程加油和操纵。这种基于水凝胶振荡器的全软件游泳机器人OsciBot展示了高速且可控的光战术运动。这种自动机器人无需电池、可部署、可扩展且可集成。总之，在这两篇论文中，开发的智能水凝胶都同时实现三个关键功能：光感测、驱动和负反馈回路以自我控制其运动。（报道链接：《Sci. Robotics》UCLA贺曦敏团队：趋光软体机器人—水凝胶在恒定光源下的动态振荡）
其实，我们仔细分析发现，文中所用材料都是基于水凝胶的。然而，水凝胶是交联的亲水性聚合物，其可以溶胀但不溶于水。当温度低于或高于相变点时，热敏性水凝胶会迅速且可逆地膨胀和收缩。目前热响应性水凝胶已被广泛用于制造软驱动器。由于光热纳米材料可以吸收光并有效地将其转化为热量，故可用作传感器，在照明时局部加热材料。因此将光热纳米材料与热响应性水凝胶结合在一起，可以制成光响应性水凝胶。如图1a所示，光照后，光会以一定深度渗透到水凝胶柱中，并转换为跨柱的温度梯度。当达到转变温度以上时会收缩而向光源弯曲。并且由于水凝胶柱在成分上是均匀的且在几何上对称，故其可以响应来自任意方向的光。其中，利用基于自遮光效果的内置负反馈回路可自行调节水凝胶柱的运动。
图1、借助光响应水凝胶实现人工向光性和趋向光性
此外，通过改变水凝胶的交联密度也可控制水凝胶柱的运动。具有高交联密度的水凝胶相对较硬，且活化缓慢，导致支柱与光源处于平衡状态，显示人工向光性（图1b）。然而，具有交联密度低的水凝胶相对较软，且活化速度更快，进而产生巨大的弯曲力和不弯曲力，导致支柱过度弯曲和过度不弯曲。即观察到不平衡的振荡致动（图1c）。当连接到漂浮物上时，振荡水凝胶可充当桨叶以推动漂浮物远离光源，充当人工趋光游泳机器人。该机器人不受限制，无电池且以智能化方式运动，因此可用于小型化的海上运输系统。
综上所述，以上两个研究工作的意义重大，因为他们建立了一个通用的原理：即在几乎任何可逆的、刺激响应性强的软材料上，制备出稳定的刺激跟踪或不稳定振荡的向性运动。在这些工作中，利用简单的光响应水凝胶作为一个模型系统，其中软材料的化学结构和机械性能与可控的动态行为有明显的联系。而负反馈回路是实现自我调节运动的关键，是水凝胶组成中四个耦合物理过程的完美平衡的结果:光热转换、热扩散、水扩散和机械变形。总之，基于前期的研究知识累积，有助于掌握设计自我调节软材料的原则，进而从水凝胶材料扩展到更广泛的响应性软材料。相信未来的软材料必将发展的更好，对于软体机器人——未来可期！
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