鳥類飛行時會周期持續(xù)地扇動翅膀，金槍魚游動時會高速循環(huán)擺動尾部（圖1），動物大腦神經(jīng)傳出信號，心臟就會周期性節(jié)律跳動……造物主的神奇讓我們?yōu)橹@嘆，為什么只要給予一點點持續(xù)不變的能量刺激，它們就不斷做出類似的“自動循環(huán)運動”？人類是否可以借鑒這種行為，制造出自動循環(huán)運動的“智能機器”？

圖1. 自然界中的自動循環(huán)運動行為。

       科學(xué)家們一直在尋求這樣的可能性。近日，西湖大學(xué)工學(xué)院智能高分子材料實驗室取得突破，他們從一株蔓藤的變形中得到靈感，開發(fā)了一種自動循環(huán)運動光控新系統(tǒng)。5月28日，Nature Communications報道了這一研究成果，西湖大學(xué)2018級博士研究生胡志明為第一作者，西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員呂久安為通訊作者。

現(xiàn)有材料無法完美復(fù)制自然界的行為

       對自然界“自動循環(huán)運動”的研究很早就開始了。最初科學(xué)家們制造的“人工智能材料”比較“笨”，在給予恒定的外部刺激下，會動，但只會動一次。比如光照形變材料，這種材料受到光照射后形狀會產(chǎn)生變化，達到一定程度后也會穩(wěn)定下來，但無法自動變回原來的狀態(tài)。如果想讓它再動起來，只能實施人工干預(yù)，換一種光源去“刺激”它。更令科學(xué)家氣餒的是，這類材料的動作也十分機械，只能做上下，或左右，或彎曲等單一的模式運動，自由度很低。

       之后，科學(xué)家和工程師們嘗試在合成材料系統(tǒng)中實現(xiàn)自動循環(huán)運動行為。他們使用過兩種響應(yīng)性材料，一種是Belousov-zhabotinsky反應(yīng)驅(qū)動的凝膠材料，另一種是光致形變的液晶高分子材料，但研究結(jié)果顯示，這兩種材料也各有各的局限性。水凝膠材料可以在溶液中反復(fù)地、周期地氧化還原，在這個過程中，凝膠可以完成從收縮到膨脹再收縮的反復(fù)運動，但對環(huán)境要求過高，只能在溶液中進行?；谝壕Ц叻肿硬牧系淖詣友h(huán)運動系統(tǒng)則無法負荷重物，而生活中的工程應(yīng)用通常要求系統(tǒng)在有負重的情況下依然能正常工作，科學(xué)家們只能繼續(xù)尋找他們理想中的智能響應(yīng)材料。

一株蔓藤打開了想象的空間

       從自然界得到靈感，也在自然界中尋找答案。

       為了生存，自然界的很多生物都進化出了高度自由形變的特點，比如蔓藤。這為智能高分子實驗室的科研人員打開了想象的空間。

       蔓藤是植物界的“軟體動物”，無法直立生長，需要纏繞在另外一種植物上卷曲爬行，到達植物頂端去吸收陽光。如果沒有纏繞和彎曲的本領(lǐng)，它就無法生存。

       放大一點，仔細觀察彎曲的蔓藤，你會發(fā)現(xiàn)（圖2），蔓藤內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似上下雙層結(jié)構(gòu)，并且這兩層結(jié)構(gòu)生長的速度不一樣。為什么蔓藤可以蜿蜒而上？當一邊生長較快時，植株就會發(fā)生形變，向著生長較慢的一側(cè)彎曲、扭曲、卷曲和纏繞，以此控制自己的身姿和運動方向，攀爬植被始終向陽而行。

圖2. 蔓藤植物高自由度的形變行為。

       蔓藤高自由度的形變行為，給智能高分子團隊很大的啟發(fā)。他們反向應(yīng)用這種形變機制，先利用模具做出螺旋線形的材料，然后拉伸轉(zhuǎn)換為線性結(jié)構(gòu)，繼而通過化學(xué)方法把它的形狀固定。這樣一旦受到外界刺激，它就可以直接產(chǎn)生高自由度的形變狀態(tài)。

       接下來的實驗讓人興奮而又期待。研究團隊設(shè)計出一種光控自動循環(huán)運動系統(tǒng)，由三個基本元素組成：自纏繞纖維執(zhí)行器——作為光控“柔性彈簧”，懸吊的物體——作為負載，近紅外光源——為系統(tǒng)提供驅(qū)動能量和控制。結(jié)果顯示，這個簡單的新系統(tǒng)，可以做出豐富的自動循環(huán)機械運動，它不僅能實施三種基礎(chǔ)的運動模式：傾斜循環(huán)運動，旋轉(zhuǎn)循環(huán)運動和上下循環(huán)運動，而且首次實現(xiàn)了三種運動模式之間的自由切換，甚至是多模式復(fù)合協(xié)同的復(fù)雜自動循環(huán)運動。也就是說，在上下、左右運動的同時，也可以實現(xiàn)彎曲、扭曲、纏繞等行為，并且不用人工切換光源。而此前，在人造光控自動循環(huán)運動系統(tǒng)中，產(chǎn)生兩種及以上模式的復(fù)合運動，并實現(xiàn)復(fù)合運動的協(xié)同，是一項巨大的挑戰(zhàn)。

       可控的多模式循環(huán)運動、可負載工作、光機械可靠性高和功能可重構(gòu)，人工智能循環(huán)運動材料曾經(jīng)遇到的痛點，這一次幾乎都迎刃而解。

這種新系統(tǒng)能夠做些什么？

       效法自然而用于自然，這樣的光控循環(huán)運動的新系統(tǒng)，對于生活中的我們來說有何意義？

       新系統(tǒng)中使用的近紅外光源，在太陽光的光譜中占很大一部分，而太陽能是一種低成本、用之不竭的綠色能源，如果這套系統(tǒng)能夠利用和轉(zhuǎn)換太陽能而實現(xiàn)自維持的循環(huán)運動，那對現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用意義重大。

       新系統(tǒng)所展示的優(yōu)越性，讓我們對這樣的應(yīng)用充滿期待。

       它可以在無需人為干預(yù)的情況下自動捕獲太陽能，并把太陽能轉(zhuǎn)換為機械能，產(chǎn)生持續(xù)的循環(huán)機械運動（圖3a）。許多工程領(lǐng)域的專家們應(yīng)該對此很感興趣。

圖3. 能量捕獲與轉(zhuǎn)換

（a）日常太陽光輻射下，系統(tǒng)自動捕獲太陽能，并產(chǎn)生持續(xù)的循環(huán)機械運動（有視頻）；

（b）基于法拉第電磁轉(zhuǎn)換原理的光電轉(zhuǎn)化示意圖。

       既然這種新系統(tǒng)可以捕獲太陽能轉(zhuǎn)換機械運動，機械能繼而也可以轉(zhuǎn)化為電能，因此，新系統(tǒng)還可以利用法拉第電磁轉(zhuǎn)換原理，將光信號自動持續(xù)的轉(zhuǎn)化為電信號（圖3b）。這可以啟發(fā)科學(xué)家和工程師們?nèi)ラ_發(fā)先進的能量轉(zhuǎn)化裝置、太陽能收集和轉(zhuǎn)換器件、自驅(qū)動的無線傳感器等高精尖功能設(shè)備。

       此外，新系統(tǒng)還可以用來構(gòu)筑微型、緊湊、輕便和低功耗特點的激光引導(dǎo)系統(tǒng)（圖4）。

圖4. 利用光控自動循環(huán)運動引導(dǎo)激光

       從實驗室走向應(yīng)用開發(fā)，操作難度和生產(chǎn)成本常常是最卡脖子的地方。而自纏繞纖維執(zhí)行器（這個光控自動循環(huán)運動系統(tǒng)的關(guān)鍵組件），制備方法簡單且可規(guī)?；?。整套系統(tǒng)的制造過程無需使用昂貴的設(shè)備，可以在任何材料實驗室中進行，具有良好的通用性和實用性。

       研究團隊的最新實驗還證明，這種材料十分耐用，循環(huán)上百萬次之后幾乎沒有衰減。這對于產(chǎn)品工程師們而言，是否又是一大利好？

       雖然目前我們無法一一羅列這套新系統(tǒng)究竟會給生活帶來哪些改變，但一定會有更多的后來者循跡而來，推動這項研究在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，就像蔓藤一樣，不斷獲得更大的生長空間。

新聞鏈接：https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/academics/202105/t20210529_10344.shtml

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