中科院杜學敏Adv. Funct. Mater.：含羞草啟發的高靈敏度和多響應淀粉致動器

一、 【導讀】?

人工智能致動器是一類能夠對外部刺激做出形狀、顏色或產生運動等響應的裝置，其發展潛力在于其可能徹底改變軟體機器人、人機界面、生物醫學設備等領域。這些智能致動系統通常采用合成聚合物制造，如對刺激響應的水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體，利用各種機制包括各向異性腫脹、不可逆/可逆共價鍵和晶態轉變。這些合成聚合物組件賦予了令人著迷的驅動功能，包括可控的形狀變換、多模式運動，并通過裸眼顏色變化感知在暴露于光、熱、濕度、化學品、電場和磁場等各種刺激時的環境變化。然而，基于合成聚合物的這些致動器在可更新性、可持續性和安全性方面面臨挑戰，特別是在機器人、生物醫學、食品和家居等領域的應用中。同時，天然聚合物制成的致動器由于存在大量氫鍵鎖定體，顯示出有限的能力和性能，限制了其在實際應用中的發展。

二、【成果掠影】

近日，中科院深圳先進研究院杜學敏教授團隊報告了一種新的氫鍵介導策略，用于開發受含羞草啟發的淀粉致動器（SA）。通過利用淀粉的糊化和豐富的氫鍵特性，這些SA在各種情況下實現了高靈敏度和多響應的致動效果。非糊化的SA可以通過近紅外光在不可逆地編程成各種形狀，如人工花朵、碗形和螺旋結構。此外，當暴露在低濕度（10.2%）、低溫（37℃）或低能量光（0.42 W cm^?2）下時，糊化的SA表現出可逆的多響應致動效果。更重要的是，這些SA在智能家居領域表現出了強大的應用潛力，包括人工含羞草、智能燈罩和變形食品。通過克服天然聚合物中存在的氫鍵鎖定體，SA為下一代可回收材料和致動器開辟了新的道路，將它們更接近實際應用的可能性。相關成果以“Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators”為題發表在Advanced Functional Materials上。

?三、【核心創新點】

這項研究創新地采用氫鍵介導策略，開發出受含羞草啟發的淀粉致動器（SA），利用淀粉的糊化和豐富的氫鍵特性，在多種情況下實現高靈敏度和多響應的致動效果，展現了智能家居等領域的強大應用潛力，并為下一代可回收材料和致動器的實際應用開辟新的可能性。

四、【數據概覽】

圖1. SA系統的制備和原理。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A）馬鈴薯淀粉的照片和淀粉顆粒結構的示意圖，以及其在熱誘導的糊化過程中的結構轉變。

B）SA組分的示意圖。

C）非糊化SA薄膜的照片，表面形態的掃描電子顯微鏡圖像，以及薄膜中嵌入的鎵銦液晶彈性體的能譜映射。

D）非糊化SA的光誘導不可逆部分糊化的示意圖，以及光誘導下螃蟹在水中擺動螯的照片（厚度為430微米，功率密度為4.8 W cm^?2）。

E）糊化SA薄膜的照片，表面形態的掃描電子顯微鏡圖像，以及薄膜中嵌入的鎵銦液晶彈性體的能譜映射。

F）光響應性糊化SA的示意圖，以及人工花朵在空氣中可逆光響應致動的照片（厚度為26微米，功率密度為0.24 W cm^?2）。

圖2. 編程形狀變形機制與行為。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A）非糊化SA薄膜在水下光誘導形狀變形的照片。

B）非糊化SA薄膜（厚度為430微米）在近紅外輻照（功率密度為4.8 W cm^?2）前后的掃描電子顯微鏡橫截面形態圖像。

C）近紅外輻照（功率密度為4.8 W cm^?2）后的非糊化SA薄膜的楊氏模量映射（頂部和底部表面）。

D）形狀變形機制的示意圖。

E）非糊化SA薄膜在近紅外輻照前后的2D-WAXD圖樣。

F）非糊化SA薄膜在近紅外輻照前后的1D-WAXD圖譜。

G）非糊化SA薄膜的近紅外輻照依賴性傅立葉紅外光譜（輻照時間從0到60秒）。

H）通過在每個花瓣下方照射（功率密度為4.8 W cm^?2，厚度為430微米），人工花朵的光誘導可編程折疊。

I）通過在上方（位置1和2）和下方（位置3和4）照射（功率密度為4.8 W cm^?2，厚度為430微米），平面環的光誘導可控形狀變形。

圖3. 多響應致動的機制和行為。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A）在不同相對濕度（從10.2%到19.2%）下，糊化SA薄膜對濕度的響應誘發形狀變化。在相對濕度為14.5%時，致動速度高達66.5°/秒。

B）在不同溫度（從37℃到52℃）下，糊化SA薄膜對溫度的響應誘發形狀變化。在相對濕度為40℃時，致動速度高達56.5°/秒。

C）在不同激光功率密度（從0.42到2.4 W cm^?2）下，糊化SA薄膜對光熱的響應誘發形狀變化。在相對濕度為0.64 W cm^?2時，致動速度高達22.3°/秒。

D）多響應致動機制的示意圖。

E）糊化SA薄膜對水汽暴露時間（從0到60秒）的依賴性ATR-FTIR光譜。

F）糊化SA薄膜對溫度（從25℃到110℃）的依賴性FTIR光譜。

G）人工蝴蝶在手指上扇動的圖像，以及相應的彎曲角度變化。

H）經過1000個35℃水汽刺激周期后，糊化SA薄膜的長期致動耐久性。

圖 4. 多響應SA用于智能家居和變形食品。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A）手指觸發下含羞草和人工含羞草的致動。

B）在葉片上設計電極陣列后，人工含羞草不僅可以改變形狀，還可以感知觸摸刺激。

C）智能燈罩的示意圖。

D）通過開關燈光的照明，燈罩的致動照片和紅外熱像圖。

E）開關燈光時的彎曲角度和溫度變化。

F）在水下接受48 W cm^?2近紅外輻照后，人工章魚的光誘導動態形狀構型。

G）在土壤中的非糊化SA薄膜的生物降解照片，表明其在38天內發生了降解。

五、【成果啟示】

總之，本研究開發了一種新的策略，用于制備多響應且可生物降解的淀粉致動器，充分利用其糊化和內在氫鍵的獨特特性，克服了傳統聚合物基致動器固有的瓶頸，因為它們通過光、濕度和溫度實現實時氫鍵調節的穩健能力。該研究展示了這些SA表現出精確可編程的變形行為和出色的致動能力，包括對超低濕度（約10.2%）、人體溫度（約37℃）和低能量近紅外輻射（0.42 W cm^?2）高度敏感，但快速且無疲勞的致動行為（1000次循環）。這種高度敏感、多響應且可逆-不可逆致動為它們在環境監測、智能燈罩和智能食品等方面帶來了獨特的應用。這些SA作為天然來源、制備簡便且擁有獨特特性的材料，為環境友好型致動材料和智能生活帶來了新的可能性。

原文詳情：Hu, H., Nie, M., Galluzzi, M., Yu, X., Du, X., Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators. Adv. Funct. Mater. 2023, 2304634.

https://doi.org/10.1002/adfm.202304634