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  近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究中心杜學(xué)敏副研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)出仿變色龍軟體驅(qū)動(dòng)器，首次報(bào)道了能同時(shí)通過顏色和形狀改變，進(jìn)而與環(huán)境實(shí)時(shí)交互的軟體爬行機(jī)器人。相關(guān)研究結(jié)果以論文"Chameleon-Inspired Structural Color Actuators"（仿變色龍的結(jié)構(gòu)色驅(qū)動(dòng)器）在線發(fā)表于Cell姊妹刊Matter上（DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.012）。杜學(xué)敏副研究員是該論文通訊作者，王運(yùn)龍博士為第一作者，深圳先進(jìn)院為唯一通訊單位。 

  自然界中的許多生物為了在復(fù)雜的環(huán)境中得以生存，進(jìn)化出了一系列能感知環(huán)境變化并能及時(shí)做出反應(yīng)的智能特性。如較低等的生物——含羞草在受到外界觸碰時(shí)，會(huì)及時(shí)閉合葉子以避免受到傷害。對(duì)于高等的生物，如變色龍，在受到威脅時(shí)，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(yīng)行為，啟發(fā)了科學(xué)家們研究并開發(fā)能感知環(huán)境并適應(yīng)性改變自己性能的軟體驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人。然而，傳統(tǒng)的軟體驅(qū)動(dòng)器或機(jī)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(shí)做出反應(yīng)，極大影響了人機(jī)交互和機(jī)器與環(huán)境交互效果。

  為解決該挑戰(zhàn)，杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)基于前期在仿生含羞草等實(shí)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，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(shí)時(shí)交互的結(jié)構(gòu)原理：皮膚中存在周期性排列的微納顆粒，當(dāng)皮膚舒張或收縮時(shí)，皮膚中微納顆粒間距會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)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(jié)構(gòu)的顏色稱之為結(jié)構(gòu)色，并將這種周期性的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到可控形變與可控運(yùn)動(dòng)的材料中，成功實(shí)現(xiàn)能與環(huán)境實(shí)時(shí)交互的仿變色龍驅(qū)動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)采用周期性微納顆粒陣列為模板，將丙烯酸酯類預(yù)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(dú)具匠心的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得這類薄膜在溶劑氛圍中實(shí)現(xiàn)快速的顏色變化（僅需0.2 s即可實(shí)現(xiàn)反射光譜紅移37 nm），這是因?yàn)榧{米尺度多孔結(jié)構(gòu)能促進(jìn)溶劑蒸汽的吸附與冷凝，進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)去陣列化排布的PHEMA條帶時(shí)，由于不對(duì)稱性溶脹，薄膜在溶劑氛圍中不僅可快速變色，而且還能實(shí)現(xiàn)定向變形，這類變色與變形持續(xù)逾100個(gè)循環(huán)后，仍然保持優(yōu)良驅(qū)動(dòng)特性。進(jìn)一步，杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)把這類快速變色與變形的材料設(shè)計(jì)成風(fēng)車、花朵，當(dāng)環(huán)境中溶劑蒸汽濃度變化時(shí)，這類風(fēng)車與花朵即可呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)與變色，這類肉眼可見的變色可用于檢測(cè)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(duì)稱性摩擦設(shè)計(jì)到兼具可運(yùn)動(dòng)與變色的驅(qū)動(dòng)器中，成功設(shè)計(jì)出能隨環(huán)境變化進(jìn)而改變自身顏色的爬行機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到0.16 cm/s。這類可控變色與運(yùn)動(dòng)的爬行機(jī)器人有望用于傳感、通訊及機(jī)器人偽裝等方面。 

  該項(xiàng)研究首次報(bào)道了能與環(huán)境實(shí)時(shí)交互的仿變色龍柔體結(jié)構(gòu)色驅(qū)動(dòng)器，不僅為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器多功能設(shè)計(jì)提供了新思路，而且極大拓展仿變色龍驅(qū)動(dòng)器在柔體機(jī)器人等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0701303）、國家自然基金（21404116）、廣東省（2015TQ01R292）、深圳市（JCYJ20180507182051636, KQJSCX20180330170232019）等科技項(xiàng)目資助。

  論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30037-2