自然界中，刺激響應(yīng)性驅(qū)動現(xiàn)象非常普遍，比如向日葵在白天因為生長素在莖兩側(cè)的分布不對稱會從東到西面向太陽；松塔中彈簧微管和方形微管的吸濕變形差異可以使松塔在長期干燥的環(huán)境中開口更大；捕蠅草在獵物進入到陷阱后，葉片因受到不對稱的液壓力會迅速關(guān)閉以捕捉獵物。受自然界啟發(fā)，研究人員陸續(xù)開發(fā)出了眾多刺激響應(yīng)性驅(qū)動材料，比如形狀記憶聚合物，液晶聚合物，水凝膠等。由于它們可以將環(huán)境中的能量有效地轉(zhuǎn)化為機械能，從而在軟機器人、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、納米催化、傳感等方面產(chǎn)生了廣泛的應(yīng)用。然而，當處于恒定環(huán)境中時，刺激響應(yīng)材料會在形變過程中逐漸達到平衡狀態(tài)，并最終停止運動。這極大限制了它們在無需人工干預(yù)的非受控環(huán)境中的應(yīng)用。因此，開發(fā)能在恒定環(huán)境中自發(fā)實現(xiàn)連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動的新型材料與策略非常重要，這將為在無人系統(tǒng)中實現(xiàn)自主驅(qū)動提供可能。
近日，中科院理化技術(shù)研究所王樹濤/張飛龍團隊在國際著名期刊《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“Strategies for Continuous Responsive Motion in a Constant Environment”的綜述論文，系統(tǒng)總結(jié)定義了四種可以在恒定環(huán)境中實現(xiàn)連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動的策略，包括Belousov-Zhabotinsky（B-Z）反應(yīng)策略、自陰影效應(yīng)策略、梯度刺激場策略和基于復(fù)雜裝置策略，并深入探討了這四種策略的基本原理、適用范圍、優(yōu)缺點、應(yīng)用及挑戰(zhàn)等。
圖1 恒定環(huán)境中連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動策略的發(fā)展
作者首先按時間順序總結(jié)了恒定環(huán)境中連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動策略的發(fā)展并按照基本原理將策略總結(jié)定義為四種：
1．B-Z反應(yīng)策略：利用B-Z振蕩反應(yīng)中催化劑（如Ru(bpy)?2?）價態(tài)的周期性變化所導(dǎo)致的親水性振蕩，驅(qū)動凝膠在反應(yīng)溶液中實現(xiàn)自主的膨脹與收縮。
2．自陰影效應(yīng)策略：光響應(yīng)材料在光照下變形后遮擋光路，導(dǎo)致原照射位點在陰影中體積恢復(fù)，體積恢復(fù)導(dǎo)致原照射位點再次暴露在光照下，形成循環(huán)運動。
3．梯度刺激場策略：在濕度或溫度梯度場中，材料因受到的梯度刺激而發(fā)生不對稱變形引發(fā)重心偏移，實現(xiàn)連續(xù)性滾動或翻轉(zhuǎn)。
4．復(fù)雜裝置輔助策略：通過機械設(shè)計（如滑輪系統(tǒng)）將響應(yīng)材料作為機械裝置的一部分，通過建立其接收刺激與運動行為之間的負反饋回路，幫助響應(yīng)材料實現(xiàn)持續(xù)運動。例如由液晶彈性體制備的滑輪履帶在紫外光照射下發(fā)生反-順異構(gòu)化產(chǎn)生局部收縮力，使右側(cè)滑輪逆時針旋轉(zhuǎn)。再經(jīng)過可見光照射后會發(fā)生順-反異構(gòu)化產(chǎn)生局部膨脹力，驅(qū)動左側(cè)滑輪逆時針旋轉(zhuǎn)。由于每部分LCE層發(fā)生反-順式異構(gòu)化后都會由于滑輪的轉(zhuǎn)動再經(jīng)紅外線照射引發(fā)順-反式異構(gòu)化，因此整個旋轉(zhuǎn)過程得以持續(xù)進行。
圖2 通過基于復(fù)雜裝置策略實現(xiàn)連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動
接著對四種策略的基本原理、影響因素進行了深入探討。例如在自陰影效應(yīng)策略中，作者以含光熱劑的溫敏材料的響應(yīng)振蕩為例，將一個振蕩周期分為了四個階段：第一階段（State I→State II)、第二階段（State II→State III)、第三階段（State III→State IV)以及第四階段（State IV→State I）。第一階段主要是光產(chǎn)熱驅(qū)動變形的過程。大的光照強度、低的光熱劑透光率、高的光熱轉(zhuǎn)化效率會提高產(chǎn)熱效率促進響應(yīng)薄膜變形進而減少第一階段的時間。熱響應(yīng)材料快的響應(yīng)速度、大的熱膨脹系數(shù)以及光熱劑與熱響應(yīng)材料之間的大的熱導(dǎo)率會提高熱-機械轉(zhuǎn)化效率，提高第一階段的擺動速度和減少第一階段的時間。第二階段開始進入陰影區(qū)。該過程主要是第一階段存儲的熱量的消耗和散失過程。光熱劑大的散熱系數(shù)，熱響應(yīng)材料大的散熱系數(shù)和小的熱膨脹系數(shù)會加快第一階段存儲的熱量的散失，減小第二階段的熱-機械轉(zhuǎn)化效率，從而減小第二階段的時間和幅度。第三階段主要由散熱主導(dǎo)的形變恢復(fù)過程。光熱劑和熱響應(yīng)材料大的散熱系數(shù)會提高散熱效率。熱響應(yīng)材料大的熱膨脹系數(shù)會加快形變恢復(fù)過程從而減小第三階段的時間。第四階段會再次暴露在光下，向光一側(cè)在光刺激下發(fā)生收縮，因此是一個光產(chǎn)熱抑制變形的過程。該階段的影響因素與第一階段類似。在該過程中，大的光照強度、低的光熱劑透光率、高的光熱轉(zhuǎn)化效率、熱響應(yīng)材料大的熱膨脹系數(shù)等會阻止散熱過程導(dǎo)致的溫度的下降，從而減小該階段的時間和幅度。四個階段的時間決定了連續(xù)性振蕩的頻率，兩個滯后階段（第二階段和第四階段）的幅度決定了連續(xù)性振蕩的幅度。
圖3 通過自陰影效應(yīng)策略實現(xiàn)連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動的原理示意圖。每個振蕩周期可以分為四個階段（State I- State II, State II- State III, State III- State IV, State IV- State I）
進一步，作者分別總結(jié)了四種策略的優(yōu)缺點。B-Z反應(yīng)策略是依靠振蕩反應(yīng)中物質(zhì)的振蕩來實現(xiàn)反應(yīng)性凝膠的振蕩，因此該策略僅適用在振蕩反應(yīng)溶液中。自陰影效應(yīng)策略和梯度刺激場策略都依賴材料自身運動行為與作用于材料的刺激之間的相互作用，以實現(xiàn)持續(xù)響應(yīng)運動。因此要求材料必須對刺激具備高度敏感性并可發(fā)生顯著形變。而基于復(fù)雜裝置策略成功克服了自陰影效應(yīng)策略和梯度刺激場策略的局限性，降低了對響應(yīng)材料刺激敏感度和形變幅度的要求。但該方法也存在設(shè)計復(fù)雜、制造成本高、適用性差及機械磨損等問題。
恒定環(huán)境中的連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動體系因為可以在無人環(huán)境中實現(xiàn)自發(fā)連續(xù)驅(qū)動，因此適用于貨物運輸、致動器（地面、空中、水下）、小功率發(fā)電等多個前沿領(lǐng)域，但也面臨諸多挑戰(zhàn)有待解決。作者總結(jié)了當下所面臨的困難挑戰(zhàn)并提出了相應(yīng)的看法和潛在解決方案：
1.目前大多數(shù)光響應(yīng)致動器只能在紫外、紅外或可見光等窄波段的高強度刺激下實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)運動。而在太陽光下這些系統(tǒng)只能發(fā)生不穩(wěn)定的混沌振蕩。這是因為太陽光是面光源且光照強度弱，可通過引入使用凸透鏡等光學裝置將光線聚焦到一個點上。這種方法不僅增加了光強，還將被照射的區(qū)域轉(zhuǎn)化為焦點。
2．目前可選擇的刺激響應(yīng)性材料非常有限？梢酝ㄟ^引入自然界中具有感知刺激能力的細胞和生物組織，借助生物雜交技術(shù)實現(xiàn)對刺激信號的感知與轉(zhuǎn)化。
3．盡管在可變刺激響應(yīng)系統(tǒng)中存在伸縮、反轉(zhuǎn)、扭動、跳躍等多種運動形態(tài)，但恒定環(huán)境中的連續(xù)響應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)的運動形式仍相當有限，大多數(shù)系統(tǒng)僅呈現(xiàn)上下振蕩運動。可以從四個角度入手：一，刺激系統(tǒng)可以是多個方向或強度的刺激。同時響應(yīng)系統(tǒng)可以是具有拓撲結(jié)構(gòu)（莫比烏斯環(huán)、螺旋等）或區(qū)域化響應(yīng)的系統(tǒng)；二，可以將各種響應(yīng)材料組合起來，設(shè)計和開發(fā)能夠在不同部位同時對不同刺激做出響應(yīng)的驅(qū)動器，而不是目前僅對一種類型刺激做出響應(yīng)的方式。三，可以整合多種連續(xù)響應(yīng)運動策略，特別是裝置輔助策略。這將實現(xiàn)更復(fù)雜和多樣化的運動形式，豐富應(yīng)用場景的范圍。第四，可以通過設(shè)計應(yīng)用環(huán)境來改變制動器的運動形式。
4．現(xiàn)實環(huán)境中大多數(shù)刺激都是波動性、復(fù)雜性和不可控性，并非嚴格意義上的“恒定環(huán)境”。例如受移動云層和搖曳樹木影響的太陽光，受光強變化與氣流影響的溫濕度。這些因素將會給真實場景中連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動策略的應(yīng)用帶來重大挑戰(zhàn)。對此，一方面我們可以在響應(yīng)系統(tǒng)中通過結(jié)合基于復(fù)雜裝置策略調(diào)整刺激源，實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境中輸入能量的存儲、調(diào)整和可控釋放。另一方面，真實環(huán)境中因為不同刺激之間的相互作用所引起的波動經(jīng)常是此消彼長，結(jié)合波動刺激之間的相互關(guān)系建立多刺激響應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)可能會減弱波動刺激所造成的影響。
該綜述將為在恒定環(huán)境中實現(xiàn)連續(xù)性響應(yīng)驅(qū)動的新策略的開發(fā)，以及創(chuàng)造更具創(chuàng)新性和實用性的驅(qū)動器提供靈感和幫助。中科院理化所博士生王千年為該論文的第一作者，通訊作者為中科院理化所王樹濤研究員和張飛龍研究員。該論文得到了北京高等學校卓越青年科學家計劃（JWZQ20240102014）和中國科學院B類先導(dǎo)科技專項（XDB1030402）的資助。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502926
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