【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】自然界中的軟體生物對其顏色、對比度以及形狀有著驚人的自主控制能力。它們通過動態(tài)的身體圖案及生物發(fā)光實現(xiàn)同類之間的信息交流、偽裝、保護(hù)和預(yù)警，以適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境。一個典型的例子是警報水母，當(dāng)其感知到海洋獵食者襲擊并受傷時，會發(fā)出耀眼的光芒以吸引更大的獵食者來消滅眼前的侵略者。這種兼具有感知、識別、自適應(yīng)和保護(hù)的水下環(huán)境交互能力有助于探索水下神秘環(huán)境及新物種，從而為水下活動的開展提供豐富且必要的信息。
 

　　在現(xiàn)有的人工系統(tǒng)中，顏色響應(yīng)的軟致動器、電子皮膚和氣動/液壓驅(qū)動的環(huán)境交互系統(tǒng)(如防偽和視覺通信)等新興的仿生設(shè)計模仿了類似生物的感覺或運(yùn)動行為，旨在豐富某些機(jī)器的功能，如軟體機(jī)器人或假肢。然而，能夠?qū)㈩伾?、感覺和自主變形特征集成至一個系統(tǒng)中的軟執(zhí)行器鮮少報導(dǎo)。特別是當(dāng)它們暴露在惡劣的水下環(huán)境中時，高壓、水潤濕性以及流體波動等因素會嚴(yán)重威脅其導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和可控變形能力。因此，為了實現(xiàn)水環(huán)境下的綜合功能，需要設(shè)計特定的結(jié)構(gòu)和新的工作機(jī)制，從而滿足水下環(huán)境探索與交互的需求。
 

　　近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點實驗室智能高分子材料團(tuán)隊陳濤研究員和肖鵬研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)，受警報水母的啟發(fā)，開發(fā)了一種集水下視覺、感知及自主驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人，實現(xiàn)了對水下刺激的動態(tài)感知與熒光預(yù)警。
 

　　當(dāng)警報水母受到外界刺激時，它們會自發(fā)地通過熒光蛋白和鈣離子的結(jié)合發(fā)出明亮的光，以實現(xiàn)自我保護(hù)和水下通信 (圖1a)。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊制備了一種功能和結(jié)構(gòu)集成的熒光皮膚，可以實現(xiàn)刺激感知、自主水下3D變形和熒光展示(圖1b)。仿生熒光皮膚由碳納米管網(wǎng)絡(luò)與熒光摻雜的硅基彈性體在水/空氣界面非對稱原位復(fù)合而成，并以懸浮式結(jié)構(gòu)集成至仿生水母機(jī)器人中(圖1c)。在水壓誘導(dǎo)的三維變形下，碳納米管網(wǎng)絡(luò)發(fā)生均勻應(yīng)變，底層的熒光分子暴露。通過應(yīng)變相關(guān)的微裂紋效應(yīng)可實現(xiàn)動態(tài)電信號和可逆機(jī)械顯色。此外，設(shè)計了基于仿生水母機(jī)器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能主動感知外部正常甚至危險的刺激，并通過自主的3D變形和實時的熒光預(yù)警實現(xiàn)自我保護(hù)與水下通訊，在水下視覺環(huán)境交互系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力(圖1d)。
 

　　該工作近期以題為“Jellyfish-Inspired Visual and Sensory Bubbling Robots with Automatic 3D Morphable Films for Underwater Environmental Interaction”的論文發(fā)表在ACS Nano上(ACS Nano, 2024, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06714)。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFC2805200)、國家自然科學(xué)基金(52373094、52073295)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2023313)、中德合作國際交流項目(M-0424)、寧波市重大研發(fā)計劃項目(20241ZDYF020148)和寧波國際合作項目(2023H019)等項目的資助。(海洋關(guān)鍵材料重點實驗室 黎姍、肖鵬)
 

圖1 具有水下感知、自主3D形變及熒光預(yù)警的仿生水母機(jī)器人