安理工張曉勇團隊CEJ：通過單一近紅外光選擇性誘導軟體制動器原位動態運動與恢復

【導讀】

軟體機器人設計中的重要組成部分——水凝膠致動器，受到自然界的啟發，已成為智能研究中最關鍵的組件之一。然而，傳統的致動方法，如近紅外（NIR）光刺激致動器完成運動，當光源關閉時，致動器會自動恢復到原始狀態，無法實現單一近紅外光下的連續原位動態保持與恢復運動。因此，通過單一外界調劑實現制動器的行為驅動與恢復是軟體機器人實現廣泛應用必須妥善解決的科學問題。

【成果掠影】

近日，安徽理工大學材料學院張曉勇團隊設計并合成了一種通過單一NIR光選擇性誘導軟體驅動器原位動態運動與恢復的智能水凝膠材料。在該研究中，通過逐層疊加技術成果制備了一種新穎的網狀聚己內酯（Net-PCL）-聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠致動器（Net-PCL-Gel）。由于Net-PCL的形狀記憶特性，Net-PCL-Gel在NIR照射下以PNIPAM的驅動力產生原位動態彎曲和恢復行為。與傳統的水凝膠系統不同，Net-PCL-Gel在信息讀取和隱藏方面還顯示出優異的解碼性能，同時保持卓越的準確性和穩定性（圖1）。由于其簡單性，這種策略在軟抓手和多功能致動器的仿生操作中顯示出巨大的潛力。

該工作以“Selective In Situ Dynamic Motion Stay and Recover under Single NIR light in Soft Actuator by Triggered Shape-Memory and Phase Transition of Hydrogel”為題發表在《Chemical Engineering Journal》（IF:16.744）上（Chem. Eng. J.,?2023,?468, 143734）。該研究工作得到了國家自然科學基金和安徽理工大學人才引進啟動基金的支持。

【圖文概覽】

圖1?(a) Net-PCL-Gel的制備過程，它由兩層組成：一個是SMP Net-PCL層，另一個是熱響應PNIPAM層；(b) 受溫度或 NIR 光刺激的Net-PCL-Gel致動器的致動行為示意圖；(c) Net-PCL-Gel致動器的功能，它模仿章魚的爪子就地捕捉和釋放物體、作為解密材料讀取和隱藏信息。

該Net-PCL-Ge致動器的獨特設計使其在應對光刺激時能夠產生彎曲和恢復等動態行為（圖2和圖3），這為實現更為精確和復雜的運動提供了新的可能性。該項研究不僅在軟體機器人領域具有重要的理論意義，同時也具備廣泛的應用前景。未來，這種新型軟體致動器有望在醫療、自動化生產和機器人協作等領域發揮重要作用。

圖2 (a) Net-PCL-Gel 致動器的熱致動行為示意圖；(b) Net-PCL-Gel致動器在不同溫度下的變化彎曲角度；(c)具有不同厚度Net-PCL層的Net-PCL-Gel致動器在不同溫度下的變化響應速度因子；(d) Net-PCL-Gel的驅動形變過程（向上彎曲、向下彎曲和抓取物體）；(e) Net-PCL-Gel分別在25^oC和60^oC下的韌性和彎曲斷裂；(f) Net-PCL-Gel的紅外熱成像圖。

圖3?(a) Net-PCL-Gel致動器的光熱致動行為示意圖；(b)受NIR光刺激的8個花瓣的彎曲角度圖；(c) Net-PCL-Gel通過 NIR 光完成花瓣彎曲；(d) 不同Mn的Net-PCL-Gel的實時溫度；(e) Net-PCL-Gel的響應速度因子；(f) Net-PCL-Gel致動器的致動機制示意圖；(g)超快Net-PCL-Gel 執行器的應用演示。

此外，該致動器還具備出色的解密性能，可用于信息隱藏和安全傳輸等應用，其中隱藏信息層由PNIPAM層組成，信息讀取層使用Net-PCL進行編寫，從而可以組裝成信息解密材料。當受到NIR光的刺激時，Net-PCL層會增加照射區域的溫度。然后，信息層受高溫影響，由親水性變為疏水性，外觀由透明變為不透明，顯示信息。當關閉近紅外光時，照射區域的溫度降低，信息層由疏水性變回親水性，使信息層恢復到原來的透明狀態，實現隱藏信息（圖4）。

圖4?Net-PCL-Gel致動器用作信息隱藏材料以讀取和隱藏信息的示意圖。

【成果啟示】

該研究的結果為軟體機器人領域的進一步發展和應用提供了新的思路和方法。這一創新性的研究成果將為設計更靈活、智能的機器人系統和人工智能技術的發展開辟新的可能性。未來，這項技術有望在醫療、制造業和其他領域實現更廣泛的應用，為人類社會帶來更多福祉和發展機遇。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723024658

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