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  深海生物的發(fā)光機(jī)制為仿生設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)新思路。為了滿足深海暗光環(huán)境下的探測(cè)需求，開發(fā)具有高亮度熒光的軟體機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期原位觀測(cè)的關(guān)鍵。將高性能熒光分子加入到水凝膠基質(zhì)中是一種快速直接的方法，然而這種方法面臨一些問(wèn)題：熒光分子在物理交聯(lián)系統(tǒng)中容易解離，復(fù)雜的水環(huán)境可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這些問(wèn)題限制了水下設(shè)備的熒光穩(wěn)定性和使用壽命。

  近期，福州大學(xué)功能高分子工程技術(shù)研究所林騰飛副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合福州大學(xué)附屬省立醫(yī)院麻醉醫(yī)學(xué)中心鄭曉春教授團(tuán)隊(duì)，受海洋生物行為的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于共價(jià)交聯(lián)實(shí)現(xiàn)高效熒光的仿生軟體致動(dòng)器（圖1）。致動(dòng)器由雙層水凝膠構(gòu)成：發(fā)光層PT4B-N通過(guò)凍融法形成，其中TPE-4BA與聚乙烯醇（PVA）發(fā)生共價(jià)交聯(lián)；驅(qū)動(dòng)層PNPC采用光引發(fā)聚合法形成，主要成分包括PT4B-N和聚丙烯酸（PAAc）。值得注意的是，發(fā)光層以共價(jià)交聯(lián)結(jié)合熒光分子，實(shí)現(xiàn)了高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY > 60%）。作者構(gòu)建了不同類型的四苯乙烯（TPE）分子模型用以進(jìn)一步分析，結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算和相互作用區(qū)域指示函數(shù)（IRI），揭示了其高亮度熒光現(xiàn)象源自于分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)受限效應(yīng)，這一結(jié)果在實(shí)際中得到了驗(yàn)證（圖2，圖3）。

圖1 基于雙層水凝膠結(jié)構(gòu)的仿生軟體致動(dòng)器的合成路線

圖2 相互作用區(qū)域指示函數(shù)（IRI）揭示高亮度熒光現(xiàn)象原因

圖3 密度泛函理論（DFT）計(jì)算得出前沿分子軌道分布與能級(jí)示意圖、靜電勢(shì)表面分析圖以及鍵能大小

  由于驅(qū)動(dòng)層中的PAAc在不同pH條件下表現(xiàn)出的溶脹特性（圖4），借助雙層水凝膠間的溶脹差異，致動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制（條狀水凝膠：最大彎曲角度 ≈ 360°，循環(huán)時(shí)間≈ 20 min）。雙層水凝膠無(wú)需界面粘合劑即可實(shí)現(xiàn)層間穩(wěn)定結(jié)合，簡(jiǎn)化了制造工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件可以執(zhí)行抓取、釋放等類似生物的協(xié)同熒光和形狀變化行為（圖5），在長(zhǎng)時(shí)間工作和海水環(huán)境下依然能夠維持高亮度熒光性能。

圖4 具有pH響應(yīng)特性的雙層水凝膠結(jié)構(gòu)及內(nèi)部相互作用示意圖

圖5 仿生軟體致動(dòng)器模擬抓取、釋放等類似生物的協(xié)同熒光和形狀變化行為

  該設(shè)計(jì)為深海探測(cè)裝備的智能化和功能集成提供了新范式，在海洋原位監(jiān)測(cè)、隱蔽區(qū)域勘探及仿生機(jī)器人開發(fā)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。其成果以“A Biomimetic Soft Actuator Achieves Efficient Fluorescence via Covalent Cross-Linking”為題發(fā)表在《Small》上（Small 2025, 2503597）。文章的第一作者是福州大學(xué)碩士研究生廖世杰和博士研究生董高磊，本文通訊作者為福州大學(xué)林騰飛副教授和福州大學(xué)附屬省立醫(yī)院鄭曉春教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和福建省自然科學(xué)基金的支持。

  這項(xiàng)工作是該團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于熒光水凝膠致動(dòng)器的制備及應(yīng)用相關(guān)研究的最新進(jìn)展。在過(guò)去的兩年中，團(tuán)隊(duì)在聚集誘導(dǎo)發(fā)光水凝膠在光學(xué)智能顯示領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，包括混合編碼多重刺激響應(yīng)水凝膠（ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6, 1422-1428）和稀土離子摻雜多色熒光響應(yīng)水凝膠（ACS Appl. Polym. Mater. 2025, 7, 700-709）在防偽、信息加密等方面的應(yīng)用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202503597

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