近日，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院前瞻交叉研究中心的錢小石教授團隊與香港大學(xué)機械工程系Nicholas X. Fang教授合作開發(fā)了一種整體的、刺激響應(yīng)的趨光軟體載具（PTV），具有類似水母的對稱性幾何結(jié)構(gòu)，能夠迅速的朝向任意方向的穩(wěn)定光源自主運動，并根據(jù)光源方向的變化，實時準確追蹤。該研究工作以題為“Self-regulated underwater phototaxis of photoresponsive hydrogel-based phototactic vehicle”的研究論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。博士研究生侯國棟為該論文的第一作者，錢小石教授為通訊作者，香港大學(xué)Nicholas X. Fang教授為共同通訊作者。
在海洋中，有一些漂浮的小生物能感知到水中光線的變化。它們可以根據(jù)光線的強弱，自主調(diào)整自己的運動，以便捕捉到食物、尋找繁殖的機會，并遠離危險。這些生物的調(diào)整運動有很多種，包括趨光性、趨渦性、趨流性和趨化性等，讓它們可以根據(jù)環(huán)境的變化，自主選擇移動的方向。這種能力讓它們看起來有點像在做“決策”。要實現(xiàn)這種“決策”，生物體需要在受到刺激時產(chǎn)生驅(qū)動力，并在合適的時候停止驅(qū)動。目前，人類制造的一些人工系統(tǒng)也有類似的反饋控制功能，但這些功能往往需要依賴預(yù)先編程的電子電路控制，或者人為的遙控操作。 然而，如果不依賴電子控制或人工干預(yù)，僅僅使用均勻的材料，我們還很難實現(xiàn)像這些小生物一樣，可以無拖線、自主決策地在整個空間內(nèi)進行趨光性運動。這個領(lǐng)域仍有許多挑戰(zhàn)等待我們?nèi)タ朔脱芯俊?/span>
趨光性軟體載具的水下操縱
圖1：通過自發(fā)誘導(dǎo)非對稱調(diào)節(jié)實現(xiàn)全空間趨光性的示意圖
在光照條件下，PTV利用定向光子能量引發(fā)溫度、流場和幾何形態(tài)上的非對稱性。光子誘導(dǎo)的多場可逆非對稱性使PTV能夠?qū)θ魏稳肷浞较蜃龀鲰憫?yīng)（圖1a），從而產(chǎn)生可提供動力的向光流體運動（圖1b），并自發(fā)地采取最佳姿態(tài)進行低阻力的向光游動（圖1c）。為了避免因受熱表面引起的上升流而產(chǎn)生的偏移運動，PTV能夠自適應(yīng)地增強受熱表面的對流換熱，從而為糾正方向偏差提供負反饋（圖1d）。此智能系統(tǒng)采用一種快速驅(qū)動和恢復(fù)的刺激響應(yīng)水凝膠為基質(zhì)材料，對來自不同方向的光照能做出快速響應(yīng)（圖1e）。高靈敏度和可逆的化學(xué)機械反應(yīng)使其能夠在溫和的光照條件下（＜1 Sun），實現(xiàn)對全空間的向光性和精準操縱（見圖1g、h）。
圖2：光-熱-流體引導(dǎo)的PTV運動
一旦受到光照，PTV的三種非對稱特性同時被激發(fā)，從而形成新的溫度梯度、流場梯度和機械應(yīng)變梯度（圖2a-d）。為了實現(xiàn)長期且對等的驅(qū)動和恢復(fù)，作者通過控制材料制備的化學(xué)和物理過程來改變凝膠的孔隙度。在16°的角度下，冰模板輔助下混合交聯(lián)的水凝膠柱在不到一秒的時間內(nèi)完全恢復(fù)原狀（圖2f），其恢復(fù)速度與其收縮速度相當，比之前報道的最佳值快了30倍。PTV中內(nèi)嵌的光熱響應(yīng)材料r-GO和AuNPs有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，當從上方照射光線時，PTV迅速上升至水面（圖2i）。表面的溫升引發(fā)向上的對流，傳遞了方向信息（圖2j）。PIV測試結(jié)果與CFD模擬結(jié)果相當吻合（圖2j、k）。水平光照時，右側(cè)的水平輻照引起溫度和流場的非對稱性，在光照一側(cè)產(chǎn)生更高的溫度和流速（圖2o）。被加熱的表面反映了入射光的方向信息，但也會引發(fā)上升流，使PTV向右上方移動（圖2m）。CFD和PIV結(jié)果（圖2n、o）表明，流場中的大部分是向上對流，這可能導(dǎo)致水平光線照射時的準確性降低（圖2m）。
圖3：通過自我調(diào)節(jié)誘導(dǎo)的非對稱實現(xiàn) PTV 的趨光性
在白光照射下，與r-GO耦合的PTV表現(xiàn)出自主向上和向右的躍遷，然后回到底部，實現(xiàn)了水平趨光性（見圖3a）。分析結(jié)果表明，PTV加速時遇到環(huán)境冷流體的速度更快，隨之而來的冷卻終止了上升流，使PTV重新回到正常運動軌跡。大量的對流傳熱向環(huán)境中釋放的熱量(q=-hA(T_s-T_f ))超過了輸入光子的功率（P），因此引發(fā)了表面溫度的振蕩，從而構(gòu)建了負反饋回路（圖3b，3c）。在陽光照射下，PTV始終停留在容器底部（圖3e）。一旦受到光照，PTV立即開始游向水面（圖3f）。與AuNPs結(jié)合的PTV同樣也能夠向光源方向跳躍（圖3g）。由于光束寬度相對較窄，上升的PTV會通過遠離照明的方式降低表面溫度，從而完成負反饋循環(huán)。作者定量研究了無量綱理查森數(shù)（Ri=Gr/Re2）來探究自然對流和強制對流的相對權(quán)重。盡管在兩種情況下努塞爾特數(shù)（Nu=16.9）相當，但激光照射時的Ri為144.0（?1），從而證實了自然對流在冷卻中占主導(dǎo)地位。而在寬光束照射下，Ri=6.8，說明速度誘導(dǎo)的混合對流在自適應(yīng)調(diào)節(jié)中扮演重要角色（圖3i）。
圖4：PTV的水下操縱
槳狀觸手獲取動量時容易與激光束錯位，由光-熱-流體驅(qū)動的PTV在較長距離上表現(xiàn)出魯棒的趨光性卻幾乎沒有方向偏差（圖4a、b）。將六根偏離中心位置的觸手巧妙地級聯(lián)，PTV能夠自適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)前進（圖4c）。響應(yīng)性觸手會向光源方向彎曲并抵消傾覆力矩，從而在PTV爬上坡道時提供額外的穩(wěn)定性（圖4d）。由于聚合物基體自發(fā)誘導(dǎo)的非對稱性和快速恢復(fù)特性，PTV的定向響應(yīng)是即時的。PTV具備靈活操控的能力的同時還具有出色的方向和位置分辨率。在恒定光源的連續(xù)變化角度下，PTV可以完美地模仿中國書法漢字“自然”（圖4e）中復(fù)雜的筆畫運動。與在水面浸沒時的趨光性不同，由于馬蘭戈尼對流效應(yīng)，當PTV浮在氣水界面上時，會避開光線（圖4f）。
在這項研究中，團隊通過調(diào)整水凝膠納米復(fù)合材料內(nèi)部的光-熱-機械-流體相互作用，成功實現(xiàn)了人工趨光性。這種趨光性不依賴于對光源或邊界條件的特殊要求，通過建立負反饋回路來調(diào)控水凝膠系統(tǒng)的運動，PTV能夠在沒有明顯遠距離偏離的情況下追蹤光線，并能夠在適度而持續(xù)的光照下精確地轉(zhuǎn)向復(fù)雜的路徑。考慮到PTV僅具有一個負反饋回路，因此探索涉及更多控制回路的策略可能會使這種不受約束、不需要電子元件、能夠自給自足能源的材料系統(tǒng)具備多功能的調(diào)節(jié)行為。
該研究依托材料科學(xué)、熱科學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、機械制造等多個領(lǐng)域的交叉合作，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院的孟光教授、陳江平教授、吳亞東副研究員、汪華苗副教授、楊光副教授、劉振宇副教授以及南方科技大學(xué)機械與能源工程系的葛锜副教授也參與了該項研究。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學(xué)基金項目，上海市自然科學(xué)基金項目，機械系統(tǒng)與振動全國重點實驗室開放課題等項目的支持。
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