生命形式依靠刺激反應(yīng)反饋回路進行自我調(diào)節(jié)運動，以獲取食物和繁殖機會，并以適應(yīng)的方式遠離危險。這些受調(diào)節(jié)的運動，被稱為趨光性、陀旋性、流變性和趨化性，使生物體能夠?qū)Νh(huán)境刺激做出反應(yīng)，并朝著首選方向移動。受大自然的啟發(fā)，人們努力在流體環(huán)境中移動機器人。然而，對這些人工系統(tǒng)的控制仍然依賴于預(yù)編程的電子設(shè)備和近距離的人類注意力，例如磁場操縱、精確瞄準、激光閃光頻率控制和預(yù)設(shè)的空間約束。

成果簡介

在合成材料中加入負反饋回路以實現(xiàn)類似于生物體的復(fù)雜自我調(diào)節(jié)行為仍然是一個設(shè)計挑戰(zhàn)。在這里，上海交通大學(xué)錢小石教授團隊與香港大學(xué)Nicholas X. Fang教授團隊合作展示了一種基于水凝膠的交通工具可以在無約束的流體空間內(nèi)跟隨光子照明的方向進行方向調(diào)節(jié)。

通過控制定制的光熱納米顆粒和聚合物基質(zhì)中的微孔，作者實現(xiàn)了軟材料的強化學(xué)力學(xué)變形。車輛迅速采取最佳姿態(tài)，并在自身周圍產(chǎn)生定向流，從而實現(xiàn)強大的全空間趨光性。 此外，這種趨光性使一系列復(fù)雜的水下運動成為可能。

作者證明這種多功能性是由光熱流體相互作用的協(xié)同作用產(chǎn)生的，導(dǎo)致閉環(huán)自我控制和快速可重構(gòu)性。這種不受束縛的、無電子設(shè)備的、環(huán)境驅(qū)動的水凝膠車輛可以根據(jù)類似于自然陽光的中等強度的照明線索，靈活地穿越障礙物，這種能力讓它們看起來有點像在做“決策”。

這項工作以“Self-regulated underwater phototaxis of a photoresponsive hydrogel-based phototactic vehicle”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》上。祝賀！

圖文導(dǎo)讀

在這里，作者開發(fā)了一種單片的，刺激響應(yīng)的軟機器，可以在恒定光子照明(如太陽輻射)的任何方向自動移動(圖1)。在照明時，不受束縛的軟機器利用定向光子能量。因此，它引起了溫度、流場和形態(tài)的不對稱。光誘導(dǎo)的、可逆的多場不對稱性允許系統(tǒng)對入射照明的任何方向做出響應(yīng)(圖1a)，創(chuàng)造出提供動量的趨光流(圖1b)，并自發(fā)地為低阻力的趨光游泳呈現(xiàn)最佳姿勢(圖1c)。 為了防止受熱表面引起的上升氣流引起的錯位運動，材料系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地增強受熱表面的對流熱損失，并提供負反饋來糾正任何方向偏差(圖1d)。該智能系統(tǒng)采用了一種刺激響應(yīng)材料，能夠以高速率啟動和恢復(fù)，從而對來自新方向的照明做出快速響應(yīng)(圖1e)。高度敏感和可逆的化學(xué)力學(xué)響應(yīng)使得在少于一個太陽的中等光照下，能夠?qū)崿F(xiàn)全空間趨光性的轉(zhuǎn)向技巧(圖1g,h)。 作者采用了類似于水母的簡單幾何形狀，具有軸對稱，由一個半球形鐘和六個垂直觸須組成。鐘包含一個氣泡作為活動組件，該氣泡會遠離光源的中心位置，從而引起密度不對稱，迫使光敏車輛(PTV)向光源傾斜(圖1c)。在沒有定向照明的情況下，氣泡保持在中心上方的位置，提供浮力來部分平衡重力，并保持PTV直立。

由于自發(fā)誘導(dǎo)的不對稱性和聚合物基體的快速恢復(fù)(圖1g)， PTV的定向響應(yīng)是瞬時的。作者觀察到PTV能夠靈活機動，具有良好的方向和位置分辨率。在恒定的光源和連續(xù)變化的角度下，PTV完美地沿著中國書法漢字“自然”的復(fù)雜筆畫(圖4e)行進，這意味著“自然”，是用草書字體寫的(有連體字)。

除了精細轉(zhuǎn)向的能力，作者進一步演示了PTV在距離10米遠的地方使用波束擴展激光器進行遠距離操作。 與在水下觀察到的趨光性不同，由于馬蘭戈尼對流(Marangoni convection)， PTV在水-空氣界面上漂浮時躲避光線(圖4f)。通過結(jié)合兩種趨光行為，PTV可以上升到水面，遠離光線以避開障礙物，然后潛水并向光線移動。

作者在一系列由太陽能驅(qū)動的微藻組成的PTV中展示了這種自我支持的循環(huán)遷移，其中微藻作為光熱轉(zhuǎn)換器，還可以提供許多生物和生態(tài)功能。PTV也能夠在一個群體中循環(huán)，調(diào)整他們的位置作為水下無人機響應(yīng)一個恒定的聚光燈從遠處的提示。

總結(jié)展望

綜上所述，作者通過調(diào)整水凝膠納米復(fù)合材料內(nèi)部的光熱-力學(xué)-流體相互作用實現(xiàn)了人工趨光性。趨光性不依賴于光源或邊界條件的特殊要求。通過構(gòu)建負反饋回路來調(diào)節(jié)凝膠的運動，PTV可以在沒有任何遠程操作的情況下跟蹤光路，并且可以在中等恒定照明的引導(dǎo)下精確地在復(fù)雜的路線上行駛。

由于PTV只有一個負反饋回路，因此開發(fā)涉及更多控制回路的策略可能會導(dǎo)致由不受束縛的、無電子的、能量自我可持續(xù)的材料系統(tǒng)本身控制的多功能調(diào)節(jié)行為。

文獻信息

Self-regulated underwater phototaxis of a photoresponsive hydrogel-based phototactic vehicle. (Nat. Nanotechnol. 2023, DOI: 10.1038/s41565-023-01490-4) https://www.nature.com/articles/s41565-023-01490-4