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生命形式依靠刺激反應(yīng)反饋回路進(jìn)行自我調(diào)節(jié)運(yùn)動，以獲取食物和繁殖機(jī)會，并以適應(yīng)的方式遠(yuǎn)離危險(xiǎn)。這些受調(diào)節(jié)的運(yùn)動，被稱為趨光性、陀旋性、流變性和趨化性，使生物體能夠?qū)Νh(huán)境刺激做出反應(yīng)，并朝著首選方向移動。受大自然的啟發(fā)，人們努力在流體環(huán)境中移動機(jī)器人。然而，對這些人工系統(tǒng)的控制仍然依賴于預(yù)編程的電子設(shè)備和近距離的人類注意力，例如磁場操縱、精確瞄準(zhǔn)、激光閃光頻率控制和預(yù)設(shè)的空間約束。

成果簡介

在合成材料中加入負(fù)反饋回路以實(shí)現(xiàn)類似于生物體的復(fù)雜自我調(diào)節(jié)行為仍然是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在這里，上海交通大學(xué)錢小石教授團(tuán)隊(duì)與香港大學(xué)Nicholas X. Fang教授團(tuán)隊(duì)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(jìn)行方向調(diào)節(jié)。

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(shí)現(xiàn)了軟材料的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(diǎn)像在做“決策”。

這項(xiàng)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。祝賀！

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圖文導(dǎo)讀

圖1. 由自發(fā)誘導(dǎo)的不對稱調(diào)控實(shí)現(xiàn)的全空間趨光原理圖

圖2. 光致熱流導(dǎo)向運(yùn)動

在這里，作者開發(fā)了一種單片的，刺激響應(yīng)的軟機(jī)器，可以在恒定光子照明(如太陽輻射)的任何方向自動移動(圖1)。在照明時(shí)，不受束縛的軟機(jī)器利用定向光子能量。因此，它引起了溫度、流場和形態(tài)的不對稱。光誘導(dǎo)的、可逆的多場不對稱性允許系統(tǒng)對入射照明的任何方向做出響應(yīng)(圖1a)，創(chuàng)造出提供動量的趨光流(圖1b)，并自發(fā)地為低阻力的趨光游泳呈現(xiàn)最佳姿勢(圖1c)。

為了防止受熱表面引起的上升氣流引起的錯(cuò)位運(yùn)動，材料系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地增強(qiáng)受熱表面的對流熱損失，并提供負(fù)反饋來糾正任何方向偏差(圖1d)。該智能系統(tǒng)采用了一種刺激響應(yīng)材料，能夠以高速率啟動和恢復(fù)，從而對來自新方向的照明做出快速響應(yīng)(圖1e)。高度敏感和可逆的化學(xué)力學(xué)響應(yīng)使得在少于一個(gè)太陽的中等光照下，能夠?qū)崿F(xiàn)全空間趨光性的轉(zhuǎn)向技巧(圖1g,h)。

作者采用了類似于水母的簡單幾何形狀，具有軸對稱，由一個(gè)半球形鐘和六個(gè)垂直觸須組成。鐘包含一個(gè)氣泡作為活動組件，該氣泡會遠(yuǎn)離光源的中心位置，從而引起密度不對稱，迫使光敏車輛(PTV)向光源傾斜(圖1c)。在沒有定向照明的情況下，氣泡保持在中心上方的位置，提供浮力來部分平衡重力，并保持PTV直立。

圖3. PTV的趨光性是由自我調(diào)節(jié)誘導(dǎo)的不對稱引起的

圖4. PTV的水下操縱

由于自發(fā)誘導(dǎo)的不對稱性和聚合物基體的快速恢復(fù)(圖1g)， PTV的定向響應(yīng)是瞬時(shí)的。作者觀察到PTV能夠靈活機(jī)動，具有良好的方向和位置分辨率。在恒定的光源和連續(xù)變化的角度下，PTV完美地沿著中國書法漢字“自然”的復(fù)雜筆畫(圖4e)行進(jìn)，這意味著“自然”，是用草書字體寫的(有連體字)。除了精細(xì)轉(zhuǎn)向的能力，作者進(jìn)一步演示了PTV在距離10米遠(yuǎn)的地方使用波束擴(kuò)展激光器進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。

與在水下觀察到的趨光性不同，由于馬蘭戈尼對流(Marangoni convection)， PTV在水-空氣界面上漂浮時(shí)躲避光線(圖4f)。通過結(jié)合兩種趨光行為，PTV可以上升到水面，遠(yuǎn)離光線以避開障礙物，然后潛水并向光線移動。

作者在一系列由太陽能驅(qū)動的微藻組成的PTV中展示了這種自我支持的循環(huán)遷移，其中微藻作為光熱轉(zhuǎn)換器，還可以提供許多生物和生態(tài)功能。PTV也能夠在一個(gè)群體中循環(huán)，調(diào)整他們的位置作為水下無人機(jī)響應(yīng)一個(gè)恒定的聚光燈從遠(yuǎn)處的提示。

總結(jié)展望

綜上所述，作者通過調(diào)整水凝膠納米復(fù)合材料內(nèi)部的光熱-力學(xué)-流體相互作用實(shí)現(xiàn)了人工趨光性。趨光性不依賴于光源或邊界條件的特殊要求。通過構(gòu)建負(fù)反饋回路來調(diào)節(jié)凝膠的運(yùn)動，PTV可以在沒有任何遠(yuǎn)程操作的情況下跟蹤光路，并且可以在中等恒定照明的引導(dǎo)下精確地在復(fù)雜的路線上行駛。

由于PTV只有一個(gè)負(fù)反饋回路，因此開發(fā)涉及更多控制回路的策略可能會導(dǎo)致由不受束縛的、無電子的、能量自我可持續(xù)的材料系統(tǒng)本身控制的多功能調(diào)節(jié)行為。

文獻(xiàn)信息

Self-regulated underwater phototaxis of a photoresponsive hydrogel-based phototactic vehicle. (Nat. Nanotechnol. 2023, DOI: 10.1038/s41565-023-01490-4)

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01490-4

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