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受捕蠅草對飛蟲觸碰刺激響應(yīng)啟發(fā) 科研人員讓水凝膠做到“條件反射”

2022-10-13 08:43:30 來源：科技日報

從中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲悉，該所智能高分子材料團隊陳濤研究員受捕蠅草對飛蟲的觸碰刺激響應(yīng)啟發(fā)，在傳統(tǒng)水凝膠中引入過飽和的鹽溶液，開發(fā)了一種對觸碰刺激具有多功能響應(yīng)的新型智能高分子水凝膠，并探索了其在智能軟體驅(qū)動器上的驅(qū)動感知一體化應(yīng)用。

對于飛蟲的觸碰刺激，捕蠅草可以快速形成電信號響應(yīng)，從而驅(qū)動捕蟲夾閉合。在光、熱、磁、電、化學(xué)物質(zhì)等外部環(huán)境的刺激下，高分子水凝膠也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。刺激響應(yīng)型高分子水凝膠是一類重要的智能材料，具有類生命體的軟、濕特性，通過化學(xué)修飾、功能復(fù)合、特異性結(jié)構(gòu)設(shè)計等策略，在藥物控釋、光學(xué)器件、柔性傳感與軟體驅(qū)動等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。其中，軟驅(qū)動器是以軟材料為基礎(chǔ)構(gòu)建的新型驅(qū)動裝置，具有與章魚等軟體生物類似的柔性驅(qū)動模式，是未來智能軟體機器人發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

“過飽和是使高分子水凝膠產(chǎn)生結(jié)晶的基礎(chǔ)。在水凝膠中的局部位置添加水溶液可以實現(xiàn)過飽和鹽溶液在水凝膠中的區(qū)域化分布，最終實現(xiàn)智能高分子水凝膠在觸碰刺激下的圖案化結(jié)晶。”該團隊科研人員解釋道，這在智能信息平臺的觸碰響應(yīng)加密—解密領(lǐng)域展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力。

據(jù)介紹，過飽和鹽溶液的結(jié)晶過程還伴隨著明顯的放熱現(xiàn)象，而放出的熱量可以快速提高材料本身的溫度，而溫度的提高又會導(dǎo)致材料電阻性質(zhì)發(fā)生顯著改變，使該智能水凝膠同時具有觸碰刺激—放熱響應(yīng)與觸碰刺激—電信號響應(yīng)功能。借助溫度探測設(shè)備和電流監(jiān)測設(shè)備就可同時觀測到該材料在觸碰刺激下的放熱響應(yīng)行為和電信號響應(yīng)行為。

研究團隊仿造捕蠅草的“觸碰刺激—電信號—驅(qū)動信號”的級聯(lián)響應(yīng)機制成功設(shè)計了“觸碰刺激—熱信號—驅(qū)動信號”級聯(lián)響應(yīng)模式，最終實現(xiàn)智能高分子水凝膠軟驅(qū)動器的觸碰刺激—驅(qū)動響應(yīng)。

“有趣的是，智能高分子水凝膠的觸碰刺激—電信號響應(yīng)行為賦予了該智能軟驅(qū)動器額外的觸碰感知功能，實現(xiàn)了該智能軟驅(qū)動器的感知驅(qū)動一體化功能集成。”該團隊科研人員表示，這種觸碰響應(yīng)后的高分子水凝膠可以通過加熱—冷卻過程恢復(fù)過飽和狀態(tài)，實現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)與功能“再生”，為下一代智能軟體機器人的研究提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊高分子水凝膠