ell姊妹刊：深圳先進院研發(fā)出仿變色龍軟體驅(qū)動器
近日，中國科學院深圳先進技術研究院納米調(diào)控與生物力學研究中心杜學敏副研究員團隊研發(fā)出仿變色龍軟體驅(qū)動器，首次報道了能同時通過顏色和形狀改變，進而與環(huán)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(qū)動器）在線發(fā)表于Cell姊妹刊Matter上（DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.012）。杜學敏副研究員是該論文通訊作者，王運龍博士為第一作者，深圳先進院為唯一通訊單位。
自然界中的許多生物為了在復雜的環(huán)境中得以生存，進化出了一系列能感知環(huán)境變化并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。對于高等的生物，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(huán)境自適應行為，啟發(fā)了科學家們研究并開發(fā)能感知環(huán)境并適應性改變自己性能的軟體驅(qū)動器和機器人。然而，傳統(tǒng)的軟體驅(qū)動器或機器人由于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(huán)境變化并及時做出反應，極大影響了人機交互和機器與環(huán)境交互效果。
為解決該挑戰(zhàn)，杜學敏研究團隊基于前期在仿生含羞草等實現(xiàn)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(jīng)驗，創(chuàng)新性地仿生自然界中變色龍通過膚色改變與環(huán)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(fā)生改變，進而反射光之間的干涉效果就隨著改變，最終呈現(xiàn)出肉眼可見的皮膚顏色變化，這種源于周期性微納結構的顏色稱之為結構色，并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(xiàn)能與環(huán)境實時交互的仿變色龍驅(qū)動。研究團隊采用周期性微納顆粒陣列為模板，將丙烯酸酯類預聚單體澆筑到模板中并聚合固化，隨后移除微納顆粒模板，即可獲得具有周期性微納孔洞的聚丙烯酸酯（PTMPTA）。正是由于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(xiàn)快速的顏色變化（僅需0.2 s即可實現(xiàn)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并改變周期性微納孔洞間距，從而實現(xiàn)顏色快速變化。
研究發(fā)現(xiàn)，將薄膜厚度降低到38 μm，并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，由于不對稱性溶脹，薄膜在溶劑氛圍中不僅可快速變色，而且還能實現(xiàn)定向變形，這類變色與變形持續(xù)逾100個循環(huán)后，仍然保持優(yōu)良驅(qū)動特性。進一步，杜學敏研究團隊把這類快速變色與變形的材料設計成風車、花朵，當環(huán)境中溶劑蒸汽濃度變化時，這類風車與花朵即可呈現(xiàn)出動態(tài)的運動與變色，這類肉眼可見的變色可用于檢測身體健康狀況及環(huán)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(qū)動器中，成功設計出能隨環(huán)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于傳感、通訊及機器人偽裝等方面。
該項研究首次報道了能與環(huán)境實時交互的仿變色龍柔體結構色驅(qū)動器，不僅為傳統(tǒng)驅(qū)動器多功能設計提供了新思路，而且極大拓展仿變色龍驅(qū)動器在柔體機器人等領域廣泛應用。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0701303）、國家自然基金（21404116）、廣東?。?015TQ01R292）、深圳市（JCYJ20180507182051636, KQJSCX20180330170232019）等科技項目資助。
仿變色龍軟體驅(qū)動器
