长期的可靠性是软体机器人在复杂条件下实际应用的先决条件。在实际操作中,材料的断裂极易引发重大的安全事故。为此,研究团队研发了能够进行“自我疗愈”的纳米复合材料,大大延长了软体机器人的服役寿命。

塑料是我们日常生活中寻常可见之物。但如今,塑料已造成了“白色污染”。实际上,比“白色污染”更可怕的是在无形之中悄然威胁生物健康的微塑料污染。

(资料图片)

近年来,随着科学家相继在多个海域的水体和沉积物中发现微塑料,人们意识到了微塑料污染已经成为了一个全球性的环境问题。海洋中的微塑料是一种新型的污染物,颗粒小、数量多、分布广且易于被海洋鱼类、贝类等生物体摄食并富集,会进一步随着食物链的传递,对其他海洋生物及人类造成威胁。

近日,四川大学高分子材料工程国家重点实验室张新星教授团队开发出了一种使用新材料制作的、由光驱动的软体机器人——机器鱼。该机器鱼能以光源为动力向各个方向游动。当激光照射到鱼的尾巴上时,光线会使材料变形,发生弯曲。连续几次这样的弯曲就能够使尾巴左右摆动,从而使鱼向前行进。

值得一提的是,该机器鱼每秒大约可以游自身长度的2.67倍。在游动过程中,机器鱼会释放出带轻微负电的分子,吸引带正电的微塑料分子,从而让附近的每一个微塑料吸附在机器鱼的身上。不仅如此,制作机器鱼的新材料在切割后还能自我愈合。日前,相关研究论文发表在国际学术期刊《纳米快报》上。

软体机器人材料需具备多种性能

微塑料在地球上几乎无处不在,在水域环境中尤其多,一旦它们落在水道底部的角落和缝隙中,便很难去除。针对这一情况,目前常用的解决方案是使用小型、灵活和自行推进的软体机器人来清除这些污染物。

“软体机器人在复杂的水域环境中作业,需要具备较高的适应性和环境耐受性等,要在含盐量不同或者酸碱环境不同的水域中都能适应自如。”论文第一作者、四川大学高分子研究所博士生王宇嫣说,在水域环境下工作,软体机器人不可避免会遭受水流的冲刷,这要求机器人材料必须满足一定的机械强度,若机器人材料在水中遭受破坏或者碎裂,又会产生新的微塑料。

实际上,现有的水生软体机器人通常都由水凝胶及硅橡胶制成,由于其结构、含水量、介质组成等固有条件,因此机械性能差,并且容易损坏。

目前,许多研究者在机器人的各种驱动方式和驱动速度方面取得了重大突破,比如引入机械手等额外的分离功能模块等。然而,这类嵌入式电子元件无疑会增加机器人的重量,不利于机器人快速稳定运行。此外,现有的水生软体机器人多为电机或燃油发动机驱动,难以满足环境友好和可持续驱动的需求。

“考虑到操作条件和经济成本,软体机器人的发展必然会朝着集成化、轻量化和智能化的方向前进。”王宇嫣说,一些研究通过引入功能填料实现了软体机器人的功能集成,但由于纳米结构设计的缺乏,使得制备的材料只能进行简单缓慢的弯曲或伸缩。

另一方面,由于实现材料的功能集成需要功能填料的高填充,而填料填充率高,又会导致复合材料柔性下降,在动态受力下容易开裂破损。“所以,如何平衡材料的功能与力学性能也成为了一个挑战。”她说。

材料一旦断裂能够进行“自我疗愈”

基于此,张新星团队从珍珠母贝(也称为珍珠层)这一天然材料的微观梯度中受到启发,仿制出了一种类似的梯度结构,创造出了一种耐用可弯曲,并且可自动愈合的材料。

“我们发现,自然界中的珍珠层在无机物含量达90%以上的时候依然能够同时保持强度和韧性。”王宇嫣介绍,团队仿照珍珠层的微观梯度结构,将环糊精修饰的磺化石墨烯纳米片层以层层抽滤的方式,逐层递增组装到聚氨酯胶乳中,创造了有序的浓度梯度的纳米复合材料。“这样的制备方法不仅有效解决了功能填料高填充导致柔性下降的难题,并且过程简单,有利于大规模制备。”王宇嫣说。

通过结构的改进设计,研究团队用这种新材料制成了一个15毫米(约半英寸)长的微型机器鱼,使其既能快速游动又能吸附微塑料。

长期的可靠性是软体机器人在复杂条件下实际应用的先决条件。在实际操作中,材料的断裂极易引发重大的安全事故,研究团队发现,如果材料能感知断裂,并能够进行“自我疗愈”,就能大大延长其服役寿命。

“我们在梯度组装的同时,创新性地引入了功能填料与聚合物软基体之间的界面氢键。相比于传统的均匀分散的材料结构,新材料的层与层之间有许多超分子的相互作用,这就使得材料在被切割后还能自我愈合。”王宇嫣解释,功能填料与聚合物软基体接触界面上的氢键能在断裂后迅速重排,使得聚合物界面的力学强度增大,赋予了复合材料自动愈合的能力,也增强了其拉伸能力。

王宇嫣表示,当前开发出的机器鱼仅集成了水面微塑料定向收集功能,研究团队正尝试引入荧光发光基团,通过荧光基团对不同污染物的荧光响应性,进一步开发能够在水下在线实时检测微塑料污染物的新材料。

张新星认为,随着研究深入,这种可愈合的新兴材料还将被开发出其他功能,在太阳能发电、化学反应催化、生物医药、航空航天等领域展现出潜在的应用价值。

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