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會自己“決策”！上交大研發(fā)出水凝膠驅(qū)動新方法，實現(xiàn)水下全空間的趨光性運動
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2023-10-24 14:39:05
水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前最受關(guān)注的生物材料。然而水凝膠材料天生質(zhì)弱，強度低、韌性差，成為限制其應(yīng)用的瓶頸難題。盡管當(dāng)前已有多種提升水凝膠力學(xué)性能的方法，例如雙網(wǎng)絡(luò)策略以及基于聚乙烯醇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，但這些方法無一例外涉及冗長制備流程或苛刻制備條件，限制了其臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。



近日，上海交通大學(xué)錢小石教授團隊與香港大學(xué)Nicholas X. Fang教授團隊合作展示了一種基于水凝膠的交通工具，可以在無約束的流體空間內(nèi)跟隨光子照明的方向進行方向調(diào)節(jié)。這項工作以“Self-regulated underwater phototaxis of a photoresponsive hydrogel-based phototactic vehicle”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》上。



會自己“決策”的水凝膠



在海洋中，有一些漂浮的小生物能感知到水中光線的變化。它們可以根據(jù)光線的強弱，自主調(diào)整自己的運動，以便捕捉到食物、尋找繁殖的機會，并遠離危險。這些生物的調(diào)整運動有很多種，包括趨光性、趨渦性、趨流性和趨化性等，讓它們可以根據(jù)環(huán)境的變化，自主選擇移動的方向。這種能力讓它們看起來有點像在做“決策”。



要實現(xiàn)這種“決策”，生物體需要在受到刺激時產(chǎn)生驅(qū)動力，并在合適的時候停止驅(qū)動。目前，人類制造的一些人工系統(tǒng)也有類似的反饋控制功能，但這些功能往往需要依賴預(yù)先編程的電子電路控制，或者人為的遙控操作。 然而，如果不依賴電子控制或人工干預(yù)，僅僅使用均勻的材料，我們還很難實現(xiàn)像這些小生物一樣，可以無拖線、自主決策地在整個空間內(nèi)進行趨光性運動。這個領(lǐng)域仍有許多挑戰(zhàn)等待我們?nèi)タ朔脱芯俊?/span>



在這項研究中，團隊通過調(diào)整水凝膠納米復(fù)合材料內(nèi)部的光-熱-機械-流體相互作用，成功實現(xiàn)了人工趨光性。這種趨光性不依賴于對光源或邊界條件的特殊要求，通過建立負反饋回路來調(diào)控水凝膠系統(tǒng)的運動，PTV能夠在沒有明顯遠距離偏離的情況下追蹤光線，并能夠在適度而持續(xù)的光照下精確地轉(zhuǎn)向復(fù)雜的路徑。



考慮到PTV僅具有一個負反饋回路，因此探索涉及更多控制回路的策略可能會使這種不受約束、不需要電子元件、能夠自給自足能源的材料系統(tǒng)具備多功能的調(diào)節(jié)行為。通過控制定制的光熱納米顆粒和聚合物基質(zhì)中的微孔，作者實現(xiàn)了軟材料的強化學(xué)力學(xué)變形。車輛迅速采取最佳姿態(tài)，并在自身周圍產(chǎn)生定向流，從而實現(xiàn)強大的全空間趨光性。此外，這種趨光性使一系列復(fù)雜的水下運動成為可能。



作者證明這種多功能性是由光熱流體相互作用的協(xié)同作用產(chǎn)生的，導(dǎo)致閉環(huán)自我控制和快速可重構(gòu)性。這種不受束縛的、無電子設(shè)備的、環(huán)境驅(qū)動的水凝膠車輛可以根據(jù)類似于自然陽光的中等強度的照明線索，靈活地穿越障礙物，這種能力讓它們看起來有點像在做“決策”。



“決策”是如何進行的？



在光照條件下，PTV利用定向光子能量引發(fā)溫度、流場和幾何形態(tài)上的非對稱性。光子誘導(dǎo)的多場可逆非對稱性使PTV能夠?qū)θ魏稳肷浞较蜃龀鲰憫?yīng)，從而產(chǎn)生可提供動力的向光流體運動，并自發(fā)地采取最佳姿態(tài)進行低阻力的向光游動。為了避免因受熱表面引起的上升流而產(chǎn)生的偏移運動，PTV能夠自適應(yīng)地增強受熱表面的對流換熱，從而為糾正方向偏差提供負反饋。此智能系統(tǒng)采用一種快速驅(qū)動和恢復(fù)的刺激響應(yīng)水凝膠為基質(zhì)材料，對來自不同方向的光照能做出快速響應(yīng)。高靈敏度和可逆的化學(xué)機械反應(yīng)使其能夠在溫和的光照條件下（＜1 Sun），實現(xiàn)對全空間的向光性和精準操縱。



一旦受到光照，PTV的三種非對稱特性同時被激發(fā)，從而形成新的溫度梯度、流場梯度和機械應(yīng)變梯度。為了實現(xiàn)長期且對等的驅(qū)動和恢復(fù)，作者通過控制材料制備的化學(xué)和物理過程來改變凝膠的孔隙度。在16°的角度下，冰模板輔助下混合交聯(lián)的水凝膠柱在不到一秒的時間內(nèi)完全恢復(fù)原狀，其恢復(fù)速度與其收縮速度相當(dāng)，比之前報道的最佳值快了30倍。



PTV中內(nèi)嵌的光熱響應(yīng)材料r-GO和AuNPs有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)從上方照射光線時，PTV迅速上升至水面。表面的溫升引發(fā)向上的對流，傳遞了方向信息。PIV測試結(jié)果與CFD模擬結(jié)果相當(dāng)吻合。水平光照時，右側(cè)的水平輻照引起溫度和流場的非對稱性，在光照一側(cè)產(chǎn)生更高的溫度和流速。被加熱的表面反映了入射光的方向信息，但也會引發(fā)上升流，使PTV向右上方移動。CFD和PIV結(jié)果表明，流場中的大部分是向上對流，這可能導(dǎo)致水平光線照射時的準確性降低。



在白光照射下，與r-GO耦合的PTV表現(xiàn)出自主向上和向右的躍遷，然后回到底部，實現(xiàn)了水平趨光性。分析結(jié)果表明，PTV加速時遇到環(huán)境冷流體的速度更快，隨之而來的冷卻終止了上升流，使PTV重新回到正常運動軌跡。大量的對流傳熱向環(huán)境中釋放的熱量(q=-hA(T_s-T_f ))超過了輸入光子的功率（P），因此引發(fā)了表面溫度的振蕩，從而構(gòu)建了負反饋回路。在陽光照射下，PTV始終停留在容器底部。



一旦受到光照，PTV立即開始游向水面。與AuNPs結(jié)合的PTV同樣也能夠向光源方向跳躍。由于光束寬度相對較窄，上升的PTV會通過遠離照明的方式降低表面溫度，從而完成負反饋循環(huán)。作者定量研究了無量綱理查森數(shù)（Ri=Gr/Re2）來探究自然對流和強制對流的相對權(quán)重。盡管在兩種情況下努塞爾特數(shù)（Nu=16.9）相當(dāng)，但激光照射時的Ri為144.0（?1），從而證實了自然對流在冷卻中占主導(dǎo)地位。而在寬光束照射下，Ri=6.8，說明速度誘導(dǎo)的混合對流在自適應(yīng)調(diào)節(jié)中扮演重要角色。



槳狀觸手獲取動量時容易與激光束錯位，由光-熱-流體驅(qū)動的PTV在較長距離上表現(xiàn)出魯棒的趨光性卻幾乎沒有方向偏差。將六根偏離中心位置的觸手巧妙地級聯(lián)，PTV能夠自適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)前進。響應(yīng)性觸手會向光源方向彎曲并抵消傾覆力矩，從而在PTV爬上坡道時提供額外的穩(wěn)定性。由于聚合物基體自發(fā)誘導(dǎo)的非對稱性和快速恢復(fù)特性，PTV的定向響應(yīng)是即時的。PTV具備靈活操控的能力的同時還具有出色的方向和位置分辨率。在恒定光源的連續(xù)變化角度下，PTV可以完美地模仿中國書法漢字“自然”中復(fù)雜的筆畫運動。與在水面浸沒時的趨光性不同，由于馬蘭戈尼對流效應(yīng)，當(dāng)PTV浮在氣水界面上時，會避開光線。



關(guān)于上海交通大學(xué)錢小石教授團隊



上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院錢小石教授課題組主要從事先進機-電-熱耦合功能材料、器件與系統(tǒng)方面的研究。



錢小石，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院教授。曾任美國Nascent Devices Inc.公司副總裁、首席技術(shù)官。長期從事機-電-熱耦合的功能材料與系統(tǒng)研究，研制高性能壓電/磁電復(fù)合材料、電活性高分子、電卡制冷材料，并制造多臺先進柔性觸感系統(tǒng)、磁電傳感與能源回收設(shè)備以及固態(tài)制冷系統(tǒng)樣機。2018年回國任職，相關(guān)研究成果已陸續(xù)在Nature、Science等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。



目前課題組主要從事電卡制冷材料與系統(tǒng)，鐵電、介電換能與儲能材料與器件，軟物質(zhì)自主驅(qū)動系統(tǒng)，可重構(gòu)光熱超材料等方面的基礎(chǔ)研究，研究經(jīng)費充足，國內(nèi)、國際合作廣泛。



此次研究依托材料科學(xué)、熱科學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、機械制造等多個領(lǐng)域的交叉合作，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院的孟光教授、陳江平教授、吳亞東副研究員、汪華苗副教授、楊光副教授、劉振宇副教授以及南方科技大學(xué)機械與能源工程系的葛锜副教授也參與了該項研究。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學(xué)基金項目，上海市自然科學(xué)基金項目，機械系統(tǒng)與振動全國重點實驗室開放課題等項目的支持。

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來源：賢集網(wǎng)
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