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四川大學(xué)張新星教授團(tuán)隊《Nano lett.》：強(qiáng)韌化可修復(fù)的光驅(qū)動軟體機(jī)器人用于吸附微塑料
2022-06-26  來源：高分子科技

  與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人具有與人交互性好、靈活性高、柔韌性好等獨(dú)特優(yōu)勢，引起了人們的廣泛關(guān)注。綜合考慮操作的實(shí)用性和穩(wěn)定性，集成、輕量化和智能化是軟機(jī)器人的發(fā)展方向。引入機(jī)械手等額外的分離功能模塊，不利于機(jī)器人的快速和穩(wěn)定運(yùn)行。此外，現(xiàn)有的水生軟體機(jī)器人（Nature 2021, 591, 66–71; Sci. Adv. 2017, 3, e160204）多為電機(jī)或燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，難以滿足環(huán)境友好和可持續(xù)驅(qū)動的需求。一些光響應(yīng)的自驅(qū)動水凝膠由于其固有的機(jī)械性能差，在復(fù)雜的水生環(huán)境中容易受到破壞，成為這些微型機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用時的另一個主要障礙。因此，如何制備強(qiáng)韌化、可修復(fù)的自驅(qū)動集成機(jī)器人仍然是一個重大挑戰(zhàn)。


圖1 軟體機(jī)器人材料結(jié)構(gòu)設(shè)計


  近日，四川大學(xué)與四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)合作受珍珠質(zhì)的啟發(fā)，通過超分子多尺度組裝制備一種磺化石墨烯基梯度納米結(jié)構(gòu)的彈性體驅(qū)動器（圖1）。通過梯度組裝工藝，研究者創(chuàng)新性地引入功能填料與聚合物軟基體之間的多重界面氫鍵。動態(tài)氫鍵的斷裂和重組在分子尺度上賦予材料自修復(fù)能力和力學(xué)增強(qiáng)特性。得到的納米復(fù)合材料具有141.19 MJ/m3的超高韌性和89%的室溫自愈合效率。所制備的概念驗證微型機(jī)器人最大游泳速度為每秒2.67倍體長，與自然界浮游生物相當(dāng)，表現(xiàn)優(yōu)于大多數(shù)人造軟體機(jī)器人。此外，由于微塑料上的有機(jī)染料、抗生素、重金屬等可與機(jī)器人上大量的環(huán)糊精分子和磺酸基團(tuán)間有很強(qiáng)的Π-Π相互作用、主客體識別作用和靜電相互作用，使微塑料能夠吸附在機(jī)器人表面。因此，制備的機(jī)器人能夠多次穩(wěn)定地吸附污染物，即使受到損傷也能恢復(fù)其機(jī)械魯棒性和功能。這項研究打破了功能執(zhí)行和快速運(yùn)動的互斥性，通過納米結(jié)構(gòu)組裝和超分子相互作用的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)集成功能所需的填料高填充與機(jī)器人的延展性、穩(wěn)定性及耐久性的兼顧。研究者相信這種納米結(jié)構(gòu)設(shè)計將為其他需要多功能集成的軟體機(jī)器人提供有效的指導(dǎo)。


 圖2 微型機(jī)器人微塑料吸附功能


 圖3 機(jī)械性能與功能修復(fù)


  上述工作以“Robust, Healable, Self-Locomotive Integrated Robots Enabled by Noncovalent Assembled Gradient Nanostructure”為題近期發(fā)表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01375)上。論文第一作者為四川大學(xué)高分子研究所博士生王宇嫣，通訊作者為高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室（四川大學(xué)）張新星教授。本工作受《BBC科學(xué)焦點(diǎn)》《衛(wèi)報》《獨(dú)立報》《發(fā)現(xiàn)》、美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS） EurekAlert等20多家國際報刊雜志媒體邀請采訪并亮點(diǎn)報道。本研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2020YFC1909500），國家自然科學(xué)基金（51873123, 52173112）和四川省杰青的資助。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c01375
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（責(zé)任編輯：xu）
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