科研人員研發出仿變色龍軟體驅動器

近日，中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究中心副研究員杜學敏團隊研發出仿變色龍軟體驅動器，首次報道了能同時通過顏色和形狀改變，進而與環境實時交互的軟體爬行機器人。相關研究結果以論文Chameleon-Inspired Structural Color Actuators（《仿變色龍的結構色驅動器》）在線發表於Matter（DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.012）。杜學敏是該論文通訊作者，王運龍為第一作者，深圳先進院為唯一通訊單位。

自然界中的許多生物為了在複雜的環境中得以生存，進化出了一系列能感知環境變化並能及時做出反應的智能特性。如較低等的生物——含羞草在受到外界觸碰時，會及時閉合葉子以避免受到傷害。對於高等的生物，如變色龍，在受到威脅時，不僅可以逃之夭夭，而且還可以通過改變皮膚顏色恐嚇天敵或是偽裝自己。生物這類環境自適應行為，啟發了科學家們研究並開發能感知環境並適應性改變自己性能的軟體驅動器和機器人。然而，傳統的軟體驅動器或機器人由於欠缺諸如兼具變形與變色的多功能特性，難以像自然界中的生物（變色龍，章魚等）一樣自主感知環境變化並及時做出反應，極大影響了人機交互和機器與環境交互效果。

為解決該挑戰，杜學敏團隊基於前期在仿生含羞草等實現材料可控形變（Research, 2019, 2019, 6398296;Advanced Materials, 2017, 29, 1702231;Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120;Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027）設計經驗，創新性地仿生自然界中變色龍通過膚色改變與環境實時交互的結構原理：皮膚中存在周期性排列的微納顆粒，當皮膚舒張或收縮時，皮膚中微納顆粒間距會發生改變，進而反射光之間的干涉效果就隨著改變，最終呈現出肉眼可見的皮膚顏色變化，這種源於周期性微納結構的顏色稱之為結構色，並將這種周期性的微納結構設計到可控形變與可控運動的材料中，成功實現能與環境實時交互的仿變色龍驅動。研究團隊採用周期性微納顆粒陣列為模板，將丙烯酸酯類預聚單體澆築到模板中並聚合固化，隨後移除微納顆粒模板，即可獲得具有周期性微納孔洞的聚丙烯酸酯（PTMPTA）。正是由於獨具匠心的多孔結構設計，使得這類薄膜在溶劑氛圍中實現快速的顏色變化（僅需0.2 s即可實現反射光譜紅移37 nm），這是因為納米尺度多孔結構能促進溶劑蒸汽的吸附與冷凝，進而快速溶脹聚丙烯酸酯分子並改變周期性微納孔洞間距，從而實現顏色快速變化。

研究發現，將薄膜厚度降低到38 μm，並在薄膜無周期性結構一側設計進去陣列化排布的PHEMA條帶時，由於不對稱性溶脹，薄膜在溶劑氛圍中不僅可快速變色，而且還能實現定向變形，這類變色與變形持續逾100個循環後，仍然保持優良驅動特性。進一步，杜學敏團隊把這類快速變色與變形的材料設計成風車、花朵，當環境中溶劑蒸汽濃度變化時，這類風車與花朵即可呈現出動態的運動與變色，這類肉眼可見的變色可用於檢測身體健康狀況及環境污染情況等。更有趣的是，通過模仿自然界中可爬行的生物，將不對稱性摩擦設計到兼具可運動與變色的驅動器中，成功設計出能隨環境變化進而改變自身顏色的爬行機器人，其運動速度可達到0.16 cm/s。這類可控變色與運動的爬行機器人有望用於感測、通訊及機器人偽裝等方面。

仿變色龍軟體驅動器

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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