上海交通大学/香港大学合作，Nature Nanotechnology！

学术 2024-11-04 17:37 浙江

▲第一作者：Guodong Hou

通讯作者：Xiaoshi Qian、Nicholas X. Fang

通讯单位：上海交通大学、香港大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01490-4

背景介绍

生命体依靠刺激响应的反馈回路进行自我调节运动，以获得食物和繁殖的机会，并以自适应的方式远离危险。这些被调节的运动，称为趋光性、趋旋性、趋流性和趋化性，允许生物体对环境刺激做出反应，并朝着偏好的方向运动。受大自然的启发，人们努力使机器人在流体环境中跨越一系列尺度。然而，这些人工系统的控制仍然依赖于预先编程的电子学和近距离的人类注意力，例如磁场操纵、精确瞄准、激光闪光频率的控制和预设的空间约束。

02

本文亮点

1.本工作证明了基于水凝胶的载体可以在无约束的流体空间中跟随光子照明的方向并进行定向调控。通过操纵定制的光热纳米颗粒和聚合物基体中的微尺度孔隙，本工作实现了软材料的强化学机械变形。

2.运载器迅速地假设一个最优的姿态，并在自身周围产生定向流，从而实现稳健的全空间趋光性。此外，这种趋光性可以实现一系列复杂的水下运动。本工作证明了这种多功能性是由光热流体相互作用的协同作用产生的，从而实现闭环的自我控制和快速的可重构性。

3.无绳、无电子器件、由环境提供动力的水凝胶运载器可以灵活地通过障碍物，跟随中等强度的照明线索，类似于自然太阳光。

图文解析

▲图1. 全空间趋光性的图式是由自发诱导的不对称性调控实现的

要点：

1、在这里，本工作开发了一种单片式的、刺激响应的软机器，它可以在恒定的光子照明的任何方向上自动移动，例如太阳辐射(图1)。当光照时，未系留的软机器可以利用定向的光子能量。因此，它导致了温度、流场和形貌的不对称性。

2、光诱导的、可逆的多场不对称性使系统能够对任意方向的入射光作出响应(图1a)，产生提供动量的光致流(图1b)，并自发地以最佳姿态(图1c)进行低阻力的趋光游动。

3、为了防止由于受热表面诱导的上升流动而导致的不对中运动，材料系统能够自适应地增强受热表面的对流热损失，从而提供负反馈来纠正任何方向的偏差(图1d)。该智能系统采用刺激响应性材料，以高速率驱动和恢复，允许对来自新方向的光照做出快速响应(图1e)。这种高灵敏度和可逆的化学力学响应使其能够在低于1个太阳光(图1g,h)的适度光照下实现全空间趋光性的精细操控。

▲图2. 光热趋流引导的运动

要点：

1、一旦被照射，PTV的三个不对称性同时被诱导：(1)由于有效的光热耦合使被照射表面加热，沿光照方向建立温度梯度(图2a)；(2)从加热表面产生对流场梯度(图2b)；(3)形成了一个机械应变梯度和一个新的密度分布，即当局部温度高于LCST时，凝胶的局部收缩将嵌入的气泡平衡器挤压离其在钟罩(图1c和2c)中的中心位置，引入一个转矩，重新分配密度并导致向光源倾斜的向光性(图2d)。

2、这种向光性倾斜在由热失活的聚丙烯酰胺水凝胶(图2e)与相同量的光吸收剂制成的对照样品中没有观察到。本工作采用基于有限元方法(FEM)的多物理场模型来研究控制多重诱导不对称性的多能耦合的协同作用。机械收缩率和温度梯度与实验结果(图2a,d)吻合较好。

3、为了定量分析，本工作测试了不同入射角度下触角的向光性驱动和恢复的速率。在16°的角度下，冰模板的混合交联水凝胶柱在<1 s内完全恢复(图2f)，这与其收缩速率相同，并且在相似的条件下比先前报道的最佳值快30倍(图2g)。

▲图3. 自我调节诱导的不对称性使PTV具有趋光性

要点：

1、令本工作惊讶的是，成功的水平趋光性是自动实现的，如图3a所示。在太阳光模拟器(从右)的适度白光照射下，r-GO掺杂的PTV自动向上和向右跳跃，然后回落到底部。在每个跳跃周期内，只有向右的位移累积才能实现趋光性。

2、值得注意的是，一旦光照在未系留的PTV上，趋光运动是完全自动的，不需要进一步的人为参与或光源的任何额外设置。

3、为了研究多物理光热流体动力学，本工作监测了连续两个跳跃周期内光照钟罩区域附近速度(v)、局部温度(T)、对流换热系数(h)、输入光子功率(P)和对流冷却功率(q)等标量的时间演化(图3b)。

4、PTV还可以跟踪激光束，提供精确的远距离光子刺激，以操纵PTV作为水下无人机。本工作设置了激光强度，以确保PTV接收到与太阳模拟器相同的总光子功率。加入AuNP的PTV也可以向光源方向跳跃(图3g)。由于窄的束宽，上升的PTV随后远离照明，降低表面温度以完成一个负反馈循环。

▲图4. PTV的水下转向

要点：

1、与从可轻易与激光束错位的划水触角获得的动量不同，光热流驱动的PTV在长距离范围内表现出强健的趋光性，而没有方向偏差(图4a,b)。在实验空间的尺寸范围内，PTV的精确趋光性为300 mm，而触手划水的精确趋光性为4.3 mm。

2、虽然PTV的趋光运动不依赖于其触手，但本工作设计了对称定位的光热响应触手，以提供额外的功能。当PTV爬坡时，响应触角向光弯曲并抵消倾覆力矩，因此提供了额外的稳定性(图4d)。这些触手也可以作为光子或热敏抓取器，可以跟踪和抓取一个明亮或热的物体。

3、总之，本工作通过调节水凝胶纳米复合材料内部的光热机械流体相互作用实现了人工趋光性。趋光性不依赖于对光源或边界条件的特殊要求。通过构建负反馈回路来调节凝胶的运动，PTV在没有任何遥操作的情况下跟踪光路，并且可以在适度、恒定的光照引导下在复杂的路线上精确地转向。由于PTV只有一个负反馈回路，开发涉及更多控制回路的策略可以导致由不受束缚、无电子、能量自我可持续的材料系统本身控制的多功能调节行为。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01490-4

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