關(guān)鍵詞：光響應(yīng)材料，感知，驅(qū)動，自發(fā)負(fù)反饋

中圖分類號：O439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

為了應(yīng)對自然界的生存挑戰(zhàn)，植物在演化過程中形成向光生長的能力，從而維持自身能量需求［1-2］. 動物或微生物在生命活動中有選擇地靠近或遠(yuǎn)離光源，被稱為趨光運(yùn)動［3-6］. 此類有趣的“向性”（Tropism）運(yùn)動得益于生物體自身的方向性反饋機(jī)制，該機(jī)制實(shí)時地幫助生物體完成趨利避害的運(yùn)動選擇［7-9］. 受此啟發(fā)，基于向光性與趨光性的人工機(jī)電控制系統(tǒng)得到關(guān)注，例如美國農(nóng)業(yè)部新能源鄉(xiāng)村發(fā)展基金資助的自主追蹤太陽能量的光伏系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的屋頂光伏系統(tǒng)占用的空間更小，但多產(chǎn)生40% 的發(fā)電量［10］. 類似的系統(tǒng)通常由光傳感元件、電執(zhí)行器、傳動部件及相關(guān)電子控制系統(tǒng)組成，然而，基于機(jī)電設(shè)備的“向光性”系統(tǒng)必然依賴電子電路控制與算法. 伴隨著巨大的體積、重量以及繁瑣的維護(hù)需求，這類機(jī)電系統(tǒng)體現(xiàn)了人類對電子系統(tǒng)的熟練應(yīng)用與依賴，將自然界的能量信號轉(zhuǎn)化為電信號提供給中央處理器，并指導(dǎo)終端大功率設(shè)備的驅(qū)動. 相比之下，植物的向光生長不依賴“中央處理器”，而是將生長素的分泌梯度與溫度梯度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“向光性驅(qū)動元件”的泛在分布、高能效與輕量化，在無須電能輸入、電子電路控制與人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的向光性驅(qū)動. 設(shè)計(jì)光響應(yīng)材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不依賴電子電路與人工操作的向光性、趨光性作動，成為一個有趣的研究方向.

光響應(yīng)柔性材料［11-12］是一種對電磁波高度敏感的功能材料，吸收電磁波能量后會大幅改變自身物理或化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于傳感［13-16］、藥物遞送［17-19］、軟體機(jī)器人［20-22］等領(lǐng)域. 常見的光響應(yīng)柔性材料有刺激響應(yīng)型水凝膠［23-24］、液晶彈性體［25-27］、形狀記憶聚合物［28-30］等. 光照下分子各向異性排列的液晶彈性體各向同性發(fā)生轉(zhuǎn)變，伴隨大幅度的可逆形變，在柔性驅(qū)動、光機(jī)械系統(tǒng)與軟體機(jī)器人領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［31］. 刺激響應(yīng)型水凝膠可通過對分子鏈和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來調(diào)控其響應(yīng)行為［32-34］，并具備優(yōu)異的生物相容性和魯棒性，同樣受到了廣泛的關(guān)注. 然而，長期以來基于光響應(yīng)材料的人工軟材料驅(qū)動系統(tǒng)（軟體機(jī)器人、微納機(jī)器人等）的驅(qū)動方向仍常常依賴于光電設(shè)備與人工遙控，迄今為止，在人工合成材料中引入負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)類似生物體的自我調(diào)節(jié)行為仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn).

2012年，哈佛大學(xué)的Aizenberg 課題組［35］提出一種通用策略，在水凝膠中內(nèi)置化學(xué)?機(jī)械化學(xué)反饋回路，成功制作出一種能夠完成自調(diào)節(jié)、自供能的“恒溫”材料系統(tǒng). 研究人員將聚N?異丙基丙烯酰胺（Poly N?isopropylacrylamide，PNIPAM）水凝膠與柱頂部內(nèi)嵌了催化劑的環(huán)氧樹脂微陣列結(jié)合，并將其置于與水和有機(jī)溶劑分層的試劑中，利用PNIPAM 的最低共溶溫度（Lower Critical So?lution Temperature，LCST）及催化劑與不同試劑的放熱反應(yīng)，促使微陣列反復(fù)穿透水?有機(jī)溶劑界面. 當(dāng)溫度過低時，PNIPAM膨脹促使環(huán)氧樹脂微陣列與試劑發(fā)生放熱反應(yīng)，提高系統(tǒng)溫度；當(dāng)溫度過高時，PNIPAM收縮，帶動微陣列回到水環(huán)境，放熱反應(yīng)停止；系統(tǒng)對外漏熱使溫度降低至LCST 以下，PNIPAM膨脹并開啟第二個循環(huán).該系統(tǒng)類似溫度PID （Proportion Integration Dif?ferentiation）控制器，針對設(shè)定溫度循環(huán)回歸. 這種自反饋循環(huán)控制的設(shè)計(jì)方法為向光性、趨光性軟材料系統(tǒng)的研究提供了可類比的方案.

類似地，基于光響應(yīng)柔性材料的人工作動器往往缺乏對于外界刺激方向的回歸能力. 在光的刺激下，這些軟驅(qū)動器的最終形態(tài)往往取決于勢能與輸入光信號的準(zhǔn)靜態(tài)平衡. 也就是說，當(dāng)光強(qiáng)、偏振、波長等多維度光信號發(fā)生變化時，軟驅(qū)動器的形態(tài)隨之發(fā)生變化，難以實(shí)時對準(zhǔn)光源甚至是追蹤來光方向. 此外，由于光響應(yīng)柔性材料往往對外界環(huán)境較為敏感，一旦發(fā)生改變就無法完成對準(zhǔn)任務(wù)，常常出現(xiàn)對不準(zhǔn)或驅(qū)動過度的情況. 類似PID溫度控制，在智能材料中引入反饋回路能突破局部環(huán)境的干擾，將動態(tài)平衡的概念注入自主軟器件的設(shè)計(jì)中，有望實(shí)現(xiàn)軟材料系統(tǒng)的自主. 引入負(fù)反饋回路能極好地解決材料系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)和驅(qū)動的難題，在一定程度上對不可預(yù)知的外界環(huán)境變化采取及時修正期望的行為. 如圖1 所示，將人工“向光性”“趨光性”分解為“光感知”“光驅(qū)動”“負(fù)反饋”三個基本功能元素，本文基于水凝膠、液晶彈性體等光響應(yīng)材料，總結(jié)概述了光響應(yīng)材料系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來方向，為自適應(yīng)軟驅(qū)動系統(tǒng)的研究提供思路和建議.

1 柔性材料的光感知

光的方向感知是響應(yīng)型柔性材料實(shí)現(xiàn)向光性驅(qū)動的第一環(huán)節(jié). 響應(yīng)型柔性材料通?？梢詫ν獠凯h(huán)境刺激產(chǎn)生顯著且可逆的反應(yīng)，包括溫度［36-39］、pH［40-41］、光照［42-43］、磁場［44-47］、機(jī)械壓力［48-50］等因素的變化. 電磁波作為一種波動能量傳播形式，具有多維度信息載體的能力，例如光波長（能量）、波矢（動量、方向性）、偏振、手性、強(qiáng)度等. 光響應(yīng)柔性材料可以對電磁波蘊(yùn)含的不同信息維度表現(xiàn)出不同的響應(yīng)形式. 液晶彈性體通常會在光或熱的刺激下產(chǎn)生宏觀機(jī)械響應(yīng)，例如Zeng et al［51］利用熱能作為信息媒介，設(shè)計(jì)了根據(jù)光功率密度完成自我調(diào)節(jié)的人造虹膜彈性體，在最小瞳孔尺寸下，可將光透射率降低七倍，達(dá)到天然虹膜的標(biāo)準(zhǔn). 偶氮苯基團(tuán)是一種在特定波長光照下發(fā)生順反異構(gòu)轉(zhuǎn)換的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)，可作為重要的光波長信息載體. 不少研究人員將偶氮苯基團(tuán)與光響應(yīng)材料相結(jié)合，可傳遞多維度光學(xué)信息. 如Yu et al［52］將含有偶氮苯的液晶單體與雙丙烯酸酯熱聚合成薄膜，可在線偏振光照射下發(fā)生定向彎曲，完成波長與偏振信號的雙重傳遞.然而，現(xiàn)有光學(xué)驅(qū)動傳感的工作存在大小不一的痛點(diǎn)，如人工虹膜［51］與3D 打印的形狀記憶薄膜［53］受限于光照方向，無法完成全方向驅(qū)動；偏振信號單一，無法完成全覆蓋［54］；人造液晶纖毛［55］在光熱作用下溫度是不可控的；向光驅(qū)動液晶材料［56］工作時角度受限等.

對于魯棒的、穩(wěn)定的向光性驅(qū)動，人們期待光響應(yīng)材料僅僅對于電磁波的方向敏感，而對電磁波的其他信息不敏感. 例如，植物的向光性生長不依賴于某種特定的光波長、偏振態(tài)，也不存在明顯的強(qiáng)度窗口. 因此，設(shè)計(jì)一種對電磁波方向信息具有特異性敏感的響應(yīng)材料，這是實(shí)現(xiàn)柔性材料向光性驅(qū)動的第一項(xiàng)挑戰(zhàn). 一種最直接的方法是將光熱轉(zhuǎn)化材料與熱敏柔性材料相結(jié)合，具體步驟如下.

（1）通過光熱轉(zhuǎn)化納米材料將光信息轉(zhuǎn)化為熱信息，在光與材料系統(tǒng)相互作用的過程中，將光強(qiáng)梯度轉(zhuǎn)化為溫度梯度，從而僅保留梯度方向信息.

（2）利用熱敏柔性材料的溫度相變，結(jié)合材料內(nèi)部保留的溫度梯度信息，對材料系統(tǒng)的形態(tài)進(jìn)行主動調(diào)整.

柔性高分子相變材料具備獨(dú)特的物理與化學(xué)屬性，包括形狀記憶聚合物、水凝膠和液晶彈性體等，在受到外部刺激時，它們表現(xiàn)出顯著的形態(tài)或性能變化，這類變化主要由特定條件下分子鏈內(nèi)部或分子鏈之間的相互作用驅(qū)動觸發(fā)，進(jìn)而引發(fā)材料性能的轉(zhuǎn)變. 形狀記憶聚合物通過物理或化學(xué)交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存儲特定形狀的“記憶”，在經(jīng)歷變形后，這些材料能在接受特定的外部刺激（如溫度變化、光照、電磁場等）時恢復(fù)到其原始形狀. 水凝膠具有特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種特殊的聚合物材料. 在眾多刺激響應(yīng)水凝膠中，熱敏水凝膠因其響應(yīng)迅速、魯棒性良好的特性而備受關(guān)注. 最典型的是PNIPAM，其體積變化是由外界溫度波動引起相變導(dǎo)致的，通過加入吸光納米粒子，可實(shí)現(xiàn)光對水凝膠的溫度調(diào)控. 當(dāng)外部溫度高于水凝膠LCST 時，內(nèi)部高分子鏈與水分子的氫鍵作用減弱，水凝膠呈現(xiàn)疏水狀態(tài)，體積收縮；當(dāng)溫度低于LCST 時，水凝膠的高分子鏈和水分子的氫鍵作用增強(qiáng)，水凝膠呈現(xiàn)親水狀態(tài)，開始吸收外界環(huán)境中的水分子，體積溶脹. 該可逆過程同時伴隨著光學(xué)性質(zhì)的變化，包括折射率和透光度的改變，該特性使熱敏水凝膠尤其適用于光學(xué)傳感相關(guān)的應(yīng)用. 液晶彈性體作為另一種柔性網(wǎng)絡(luò)材料，它將液晶的自組裝和各向異性與彈性體的橡膠彈性結(jié)合在一個系統(tǒng)中. 液晶彈性體的獨(dú)特之處在于能在特定刺激下發(fā)生有序的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致形狀或光學(xué)性質(zhì)的變化. 結(jié)合特定響應(yīng)材料，液晶彈性體的響應(yīng)性不限于溫度，還可以是光照、電場等外部刺激，聚合物的機(jī)械特性、液晶和響應(yīng)材料的刺激響應(yīng)性使液晶彈性體被稱為可用于各種應(yīng)用的功能材料.

在上述材料中，相變的本質(zhì)是溫度誘導(dǎo)（如熱敏水凝膠）、光誘導(dǎo)（通過特定波長的光照引發(fā)的變化）或電磁場誘導(dǎo)等，這些相變不僅影響材料的物理形態(tài)（如形狀、體積），還會影響其光學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)性能，其中光熱性能作為一條重要分支占據(jù)著高分子傳感應(yīng)用的重要地位. 光熱材料［57-65］能吸收入射光，經(jīng)由光激發(fā)將光能轉(zhuǎn)化為熱能，此類光熱效應(yīng)發(fā)生在各種各樣的材料中，如等離子體金屬［66-68］、半導(dǎo)體［69-72］、碳基材料［73-74］等. 典型的光熱應(yīng)用有太陽能蒸發(fā)技術(shù)［75］、光熱取水［76］、光熱催化［77］等，與之對應(yīng)的光熱機(jī)制［75］分為表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）、電子空穴產(chǎn)生及弛豫和分子熱振動三類.

1. 1表面等離子體共振（SPR） 表面等離子體共振（SPR）是一種基于金屬介質(zhì)界面上電子共振現(xiàn)象的光學(xué)技術(shù)，具備廣泛的應(yīng)用場景. 常用于生物分子（如蛋白質(zhì)）識別［78］、光波導(dǎo)、光柵耦合［79］等. 當(dāng)特定波長的偏振光照射到金屬（通常為金或銀）薄膜表面時，入射光與金屬表面集體振蕩的自由電子相互作用，產(chǎn)生表面等離子體波. 這種共振現(xiàn)象高度敏感于金屬表面附近介質(zhì)的折射率變化，與熱敏水凝膠光熱響應(yīng)下的折射率變化極為契合. 為了使水凝膠快速感知周圍的溫度變化，研究者通常將光熱納米材料與熱敏水凝膠相結(jié)合，進(jìn)而賦予復(fù)合水凝膠出色的光熱轉(zhuǎn)化能力. 耦合了金納米粒子的復(fù)合水凝膠表面能產(chǎn)生強(qiáng)烈的表面等離子體共振，迅速將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?dǎo)致水凝膠局部溫度驟升. 這種溫度上升可以引發(fā)熱敏相變水凝膠失水皺縮，從而帶動機(jī)體運(yùn)動，此時，熱能成功轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能. Brasse etal［80］利用PNIPAM 制作外殼，將金納米顆粒封裝其中，并在殼體上端覆蓋一層金屬膜，形成內(nèi)部金納米粒子與上端金屬薄膜之間分離良好的等離子體結(jié)構(gòu)（圖2a），驗(yàn)證了耦合諧振的可調(diào)性. Gis?bert Quilis et al［81］基于PNIPAM 設(shè)計(jì)了另一種傳感結(jié)構(gòu)（圖2b），具有主動協(xié)調(diào)能力以及極窄的吸收光譜特性. 水凝膠可逆地皺縮和膨脹，調(diào)節(jié)了上層金納米顆粒的周期以及水凝膠層的折射率，局域表面等離子體（Localized Surface Plasmon"Resonance，LSP）引起的共振峰從而也被調(diào)節(jié).另外，Toma et al［82］設(shè)計(jì)了一種底部嵌入氧化銦錫微加熱器和頂部覆蓋PNIPAM 薄膜的SPR 結(jié)構(gòu)（圖2c），該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于表面等離子體增強(qiáng)熒光生物傳感的領(lǐng)域. 熱敏水凝膠在變化溫度下的可逆大幅形變使SPR 技術(shù)得到了充分發(fā)展，為軟體驅(qū)動及人工向光提供了強(qiáng)力的技術(shù)支持.

1. 2電子空穴產(chǎn)生及弛豫 電子空穴的產(chǎn)生及弛豫涉及半導(dǎo)體材料［72，83，84］中電子的激發(fā)和回復(fù)過程. 在激發(fā)過程中，當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收光能（或其他形式的能量）時，價帶中的電子可以獲得足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，變成自由電子. 該過程在價帶留下的缺失稱為“空穴”，電子和空穴一起形成了電荷載體對. 弛豫是電子?空穴對重新結(jié)合的過程，電子從導(dǎo)帶回到價帶，釋放出之前吸收的能量，這種能量釋放可以是光的形式（如光致發(fā)光）或熱的形式（非輻射復(fù)合）.

1. 3分子熱振動 分子振動傳感是基于分子內(nèi)部的振動模式，通常通過紅外光譜或拉曼光譜來檢測. 每種分子都有獨(dú)特的振動頻率，當(dāng)分子吸收特定頻率的光時，會導(dǎo)致其內(nèi)部鍵的伸縮、彎曲或扭曲，引起能量狀態(tài)的改變. 典型的有生物質(zhì)碳［85］、石墨烯［86-93］、氧化還原石墨烯［94-100］、碳納米管［76，101-103］、石墨［104-107］、炭黑［108］等，目前氧化還原石墨烯在光熱水凝膠中已得到廣泛應(yīng)用［109-112］.

光感知柔性材料的傳感功能賦予光學(xué)系統(tǒng)無限的可能，在外部條件不斷變化下，柔性材料的光傳輸特性（如強(qiáng)度、相位或偏振）可產(chǎn)生大小不一的影響，合理利用光源，通過編程、機(jī)械操縱、分子開關(guān)、生物傳遞等手段對該光響應(yīng)特性加以利用，水凝膠等光響應(yīng)材料可勝任眾多高靈敏度的傳感工作. 目前，光學(xué)傳感在調(diào)節(jié)和操作方面仍然需要人為地大幅干預(yù)，在試驗(yàn)過程中往往耗費(fèi)大量的時間，效率難以得到保證. 因此，未來在集成更多智能功能及系統(tǒng)的同時，也需要向自適應(yīng)、自修復(fù)方向努力.

2 光響應(yīng)材料的光學(xué)驅(qū)動應(yīng)用

光學(xué)驅(qū)動［113］主要依賴于光與物質(zhì)之間的相互作用，這種相互作用能導(dǎo)致電子激發(fā)、能量轉(zhuǎn)移、化學(xué)鍵的斷裂或形成以及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化.物質(zhì)通過吸收光能從光能轉(zhuǎn)換為其他能量形式（如熱能、化學(xué)能或機(jī)械能），來實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的操控和控制. 典型的光響應(yīng)驅(qū)動材料有刺激響應(yīng)水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體等.

2. 1刺激響應(yīng)水凝膠

2. 1. 1PNIPAM水凝膠 PNIPAM 水凝膠的體積變化是由外界溫度的波動引起的，通過加入光熱組分（金/銀納米顆?；蜓趸┑龋?，可以實(shí)現(xiàn)光對水凝膠的溫度調(diào)控. 當(dāng)外部溫度高于水凝膠LCST 時，內(nèi)部高分子鏈與水分子的氫鍵作用減弱，水凝膠呈現(xiàn)疏水狀態(tài)，體積收縮. 當(dāng)外部溫度低于LCST 時，水凝膠的高分子鏈和水分子的氫鍵作用增強(qiáng)，水凝膠呈現(xiàn)親水狀態(tài)，開始吸收外界環(huán)境中的水分子，體積溶脹. 反復(fù)利用可逆過程的體積變化驅(qū)動力，熱敏水凝膠能達(dá)到出色的致動功能. 如Rehor et al［114］開發(fā)了一種微型（100μm）水凝膠爬行器，添加了金納米顆粒的PNI?PAM 在激光加熱時局部可逆收縮，水凝膠持續(xù)處于非平衡狀態(tài)，反復(fù)膨脹收縮導(dǎo)致凝膠與基底之間的摩擦發(fā)生不對稱變化. 利用摩擦遲滯產(chǎn)生的失衡，在激光控制下，爬行器可完成定向運(yùn)動，如圖3a 所示. 除了金納米顆粒作為光熱因子外，Wei et al［115］將靜電紡絲技術(shù)融入水凝膠，在模擬花閉合的過程中實(shí)現(xiàn)了更高的拉伸強(qiáng)度，如圖3b所示. 除了宏觀驅(qū)動外，水凝膠也能用于制作大規(guī)模集成系統(tǒng)下的微驅(qū)動器. Haefner et al［116］用刺激響應(yīng)水凝膠來制備高度集成電路，將微米級水凝膠精準(zhǔn)安裝在微流體網(wǎng)格表面上，如圖3c 所示，通過微加熱器控制水凝膠達(dá)到控制閥門的功能. Koike et al［117］用光照射微型水凝膠驅(qū)動片來實(shí)現(xiàn)局部溫度調(diào)節(jié)，微驅(qū)動器由溫度響應(yīng)型水凝膠制成，并集成在具有光吸收微圖案的微流體芯片上，如圖3d 和3e 所示. 基于光熱效應(yīng)，光照射能提高芯片溫度來實(shí)現(xiàn)致動，與傳統(tǒng)微加熱方式相比，光照射能實(shí)現(xiàn)局部加熱且有效規(guī)避因局部散熱不均而引起的意外驅(qū)動.

2. 1. 2偶氮苯/螺吡喃水凝膠 偶氮苯和螺吡喃是兩種常見的光響應(yīng)型分子，能在光照射下發(fā)生可逆的電子轉(zhuǎn)移過程，通過分子變形重組實(shí)現(xiàn)宏觀性能調(diào)控，由直接的光響應(yīng)完成驅(qū)動，一般使用弱光照射［118］. 偶氮苯分子能在光照下發(fā)生從反式到順式的可逆光化學(xué)異構(gòu)化，通過分子結(jié)合與解離達(dá)到宏觀調(diào)控，常用于相態(tài)轉(zhuǎn)化、分子釋放及人工肌肉等領(lǐng)域. 例如，Zheng et al［119］報道了一種可在紫外光與可見光交替照射下實(shí)現(xiàn)凝膠?溶膠可逆轉(zhuǎn)化的偶氮苯聚合物（圖4a），為智能軟材料提供了新的創(chuàng)造思路. Pianowski et al［120］將自修復(fù)偶氮苯水凝膠應(yīng)用于DNA 和阿霉素的釋放圖4b）. Iwaso et al［121］將環(huán)糊精?偶氮苯合成材料應(yīng)用于肌肉的舒張和收縮（圖4c）. 螺吡喃分子在紫外光照射下能從閉環(huán)形式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_環(huán)形式的異構(gòu)體，而在可見光照射下可逆轉(zhuǎn)回閉環(huán)形式.這種變化往往伴隨分子極性顯著的變化，多應(yīng)用于光致動器. 例如，2011 年Satoh et al［122］將螺吡喃衍生物引入PNIPAM 來形成光致收縮水凝膠，實(shí)現(xiàn)了光誘導(dǎo)下的凝膠柱體向光彎曲（圖4d）. 2020 年，Li et al［123］開發(fā)了光致溶脹水凝膠，使得凝膠柱體能背光彎曲（圖4f），并在后續(xù)工作中［124］將光致收縮和光致溶脹水凝膠相結(jié)合，制備了雙層水凝膠致動器（圖4e），在光照下能完成多種彎曲組合，并將倒刺結(jié)構(gòu)引入水凝膠實(shí)現(xiàn)類章魚的爬行運(yùn)動（圖4g），為光響應(yīng)凝膠的仿生運(yùn)動奠定了基礎(chǔ). 此外，F(xiàn)rancis et al［125］合成了一種基于PNIPAM 的雙足水凝膠行走器，該創(chuàng)意來源于蚯蚓依賴軀干肌肉伸縮完成爬行運(yùn)動. 此聚合物結(jié)構(gòu)中存在光致變色螺吡喃分子，在不同的光照條件下，水凝膠可在水環(huán)境中可逆地收縮和膨脹，將雙足凝膠放置在充滿水的棘輪表面上，棘輪表面設(shè)計(jì)成倒刺結(jié)構(gòu)，雙足凝膠可以在給定方向上完成一系列的行走運(yùn)動（圖4h）. 此類仿生驅(qū)動工作證明了水凝膠應(yīng)用于微機(jī)械臂的可能性，可推動小貨物前行，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可用于藥物定點(diǎn)釋放、分子運(yùn)輸?shù)? 在微驅(qū)動領(lǐng)域，ter Schiphorst etal［126］利用質(zhì)子化硫氰和螺吡喃水凝膠同樣完成了微流體通道的閥門制作. 這些工作為大規(guī)模集成系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要思路，可用于高功能單細(xì)胞操作、精密加工等領(lǐng)域.

2. 2形狀記憶聚合物（Shape Memory Poly?mers，SMPs） 形狀記憶聚合物（SMPs）是一類高度適應(yīng)性的智能材料，受到特定的外部刺激（如溫度、光照、電、磁場等）時，能從一種暫時形狀恢復(fù)到原始形狀，具備形狀記憶效應(yīng). SMPs 通常由兩部分組成：一種是形成物理或化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的聚合物，負(fù)責(zé)材料的機(jī)械穩(wěn)定性和形狀記憶特性；另一種是作為開關(guān)相的聚合物，其轉(zhuǎn)變溫度或其他特性定義了形狀變化的激活條件. 當(dāng)SMPs 加熱至高于其轉(zhuǎn)變溫度時，材料變得柔軟并可以塑成新形狀，冷卻后聚合物“凍結(jié)”在此形狀；再次加熱至轉(zhuǎn)變溫度以上時，聚合物會恢復(fù)到原始形狀. 典型的驅(qū)動應(yīng)用如Mo et al［127］將十六烷基氧苯甲酸（HOBA）摻入含吡啶聚氨酯（PU）中，自組裝出超分子液晶夾持器（SMPU ?HOBA）（圖5a），在不同溫度控制下能可逆捕獲和釋放硬幣，成功證明了自夾持的可逆雙向記憶效應(yīng).Chen et al［128］提出一種由聚酰亞胺（PI）和低密度聚乙烯（LDPE）組成的微型飛行器（圖5b），完成了類蒲公英種子的仿生飛行. 然而，SMPs 最顯著的優(yōu)勢在于其獨(dú)特的可編程特性，能根據(jù)特定需求被編程成多種臨時形狀. 例如，用于風(fēng)管制造的SMP 風(fēng)管芯筒［129］，基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC）的智能鉸鏈組裝到太陽能電池陣樣機(jī)中［130］，SMPC 折疊翼無縫蒙皮用于可變形飛行器的折疊縫隙處［131］. 由于出色的生物相容性和機(jī)械性能，SMP 還可用于醫(yī)學(xué)支架制作，如SMP 氣管支架［132］（圖5c）、SMPC 骨組織支架［133］（圖5d）等.

2. 3液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers ，LCEs） 液晶彈性體（LCEs）是一種獨(dú)特的智能材料，兼?zhèn)湟壕Р牧系姆较蚺帕刑匦约皬椥泽w的高彈性［134］. LCEs 的分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)類似液晶相態(tài)的有序排列，作為彈性體，在受力后發(fā)生形變，并在去應(yīng)力后恢復(fù)原狀. 其最常見的響應(yīng)機(jī)制是對溫度的敏感性，在特定溫度下，LCEs 的分子排列會發(fā)生改變，引起宏觀形狀及體積變化. 通過摻雜光響應(yīng)分子，可實(shí)現(xiàn)光照下的響應(yīng)性能，在制造柔性機(jī)器人和仿生裝置方面有著重要應(yīng)用. 如圖6a 所示，Wani et al［135］基于光響應(yīng)液晶彈性體設(shè)計(jì)了人工捕蠅器，利用光來實(shí)現(xiàn)物體識別和自動閉合，實(shí)現(xiàn)纖維架構(gòu)大小內(nèi)的自我調(diào)節(jié)驅(qū)動.Wani et al［136］還設(shè)計(jì)了一種液晶網(wǎng)絡(luò)人工花（LCN），通過光和濕度的協(xié)同控制來實(shí)現(xiàn)白天關(guān)閉、夜晚打開的功能，實(shí)現(xiàn)了低光照強(qiáng)度下的快速光致動（圖6b）. LCEs 也可用于水上行走，如Yang et al［137］在LCN 中原位嵌入微型可聚合金納米（MiniGNRs 納米單體），基于光熱效應(yīng)制作出水上三足仿水黽驅(qū)動機(jī)器人，為LCEs 提供了時空驅(qū)動特性，可用于貨物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域（圖6d）. 此外，LCEs 可用于人造肌肉系統(tǒng)，如Kim et al［138］與Sun et al［139］將LCE 應(yīng)用于肌肉纖維驅(qū)動. 由于內(nèi)部液晶分子的定向排列，LCEs 也可被編程為在特定條件下執(zhí)行預(yù)定動作，如彎曲、扭曲、收縮與膨脹等. 如Huang et al［140］通過折痕結(jié)構(gòu)對LCEs進(jìn)行順序編程，實(shí)現(xiàn)了具有大應(yīng)變的光可控伸長驅(qū)動，完成了舉起重物、自由伸長以及收縮操控遠(yuǎn)處物體的協(xié)同工作（圖6c）. Xu et al［141］利用在線偏振光下可發(fā)生光誘導(dǎo)環(huán)加成反應(yīng)的查爾酮介質(zhì)來編程LCEs 的各向異性，在獨(dú)立的LCE 薄膜中形成有圖案的取向分布，進(jìn)而產(chǎn)生了復(fù)雜可逆的三維變形運(yùn)動（圖6e），在信息保存、加密等領(lǐng)域有不錯的應(yīng)用前景.

目前，光響應(yīng)材料的光學(xué)驅(qū)動得到廣泛的研究，在生物醫(yī)學(xué)工程、軟體機(jī)器人領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力. 光照條件常常依賴于精準(zhǔn)的控制，在軟體驅(qū)動過程中，光源的強(qiáng)度、方向和持續(xù)時間需要滿足極為苛刻的條件. 一般需要通過復(fù)雜的儀器和精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，在增加操作繁瑣程度的同時也限制了驅(qū)動技術(shù)在更廣泛的應(yīng)用場景的實(shí)用性.

在驅(qū)動領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理整個驅(qū)動器的工作，兼具響應(yīng)外部信號和控制調(diào)節(jié)的功能，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提供保障. 水凝膠類的光響應(yīng)材料具備優(yōu)良的響應(yīng)性能，但精細(xì)控制的需求成為實(shí)際批量應(yīng)用中一個顯著的挑戰(zhàn)，限制了實(shí)用化進(jìn)程. 在這類光響應(yīng)材料中內(nèi)置負(fù)反饋回路成為可行的方案之一，經(jīng)由材料本身對環(huán)境參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)來滿足實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動需求，大大增強(qiáng)了驅(qū)動器的智能性.

3 光響應(yīng)柔性材料的自適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

通過對大自然的借鑒與學(xué)習(xí)，人類提出仿生學(xué)的概念并設(shè)計(jì)合成特殊的材料和器件，極大地促進(jìn)了社會的發(fā)展. 自然界存在形形色色的自適應(yīng)行為，例如植物的向光生長、動物和微生物自發(fā)靠近或遠(yuǎn)離光源. 基于這些自適應(yīng)行為，生命體可以更大限度地獲取能量，達(dá)到覓食或繁衍等目的. 目前，機(jī)電器件要實(shí)現(xiàn)人工趨光性和向光性，至少需要檢測光的傳感器、產(chǎn)生運(yùn)動的驅(qū)動器、分析信號和控制運(yùn)動反饋系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)芯片和程序）三個功能部件. 然而，對于單一合成材料系統(tǒng)，不依賴外部控制實(shí)現(xiàn)集傳感、驅(qū)動和反饋于一體的人工趨光性或向光性仍是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn).

光響應(yīng)柔性材料能對光的變化進(jìn)行快速而精準(zhǔn)的響應(yīng)，這意味著它們在接收光信號的瞬間可以改變物理或化學(xué)性質(zhì)，如形狀、體積或光學(xué)特性等，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制. 近年來該領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列的前沿研究，體現(xiàn)了傳感和驅(qū)動技術(shù)的融合，逐漸催生了一系列創(chuàng)新的光學(xué)自適應(yīng)系統(tǒng)，光響應(yīng)材料對光的變化作出直接反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的自主適應(yīng)和主動調(diào)節(jié). 該衍生過程驗(yàn)證了光響應(yīng)柔性材料系統(tǒng)在傳感和驅(qū)動技術(shù)上的統(tǒng)一，在走向自主化的同時，也為光響應(yīng)材料的發(fā)展打開了新的思路.

3. 1自適應(yīng)向光運(yùn)動 將光熱響應(yīng)納米顆粒與熱機(jī)械響應(yīng)PNIPAM 水凝膠相結(jié)合，材料系統(tǒng)可響應(yīng)外部光刺激并產(chǎn)生驅(qū)動. 2019 年Qian etal［142］借助PNIPAM 基水凝膠材料的相變特性，設(shè)計(jì)了一種模仿向日葵全角度追蹤太陽光的仿生全向跟蹤器（SunBOT），該跟蹤器能在很寬的溫度范圍內(nèi)瞄準(zhǔn)和對準(zhǔn)入射光的三維方向，僅需3. 5 s就可以通過大幅度的自身形變來對準(zhǔn)光（圖7a）.這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)配置通過植根于材料系統(tǒng)的內(nèi)置負(fù)反饋回路得以實(shí)現(xiàn)，內(nèi)嵌的光熱納米材料（如金納米或石墨烯納米顆粒）賦予材料光熱轉(zhuǎn)化能力，使其受熱局部溫升. 當(dāng)溫度高于LCST 時，鉸鏈處PNIPAM 水凝膠產(chǎn)生局部彎曲形變，結(jié)合重力作用系統(tǒng)過度彎曲的頭部會遮擋入射光形成自遮擋效應(yīng)，使系統(tǒng)彎曲的角度在入射光附近達(dá)到動態(tài)平衡，最終實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)向光行為（圖7b）. 同年，Zhao et al［143］降低水凝膠交聯(lián)密度，提高了水凝膠柱體的柔軟度，基于相同負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)“ 過度彎曲”和“ 過度不彎曲”的往復(fù)過程中（圖7b），由于自身過于柔軟，柱體呈現(xiàn)出循環(huán)振蕩，同時鉸鏈溫度也處于周期變化（圖7c），在恒定光照條件下能夠長時間維持自主驅(qū)動. 當(dāng)水凝膠器件漂浮在水面上時，豎立的“槳”推動器件遠(yuǎn)離光源，形成了一個可在簡單光刺激下的自驅(qū)動軟體游泳機(jī)器人（OsciBot）（圖7d），且能通過光路調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動. 在這兩項(xiàng)工作中，PNIPAM 基水凝膠均同時實(shí)現(xiàn)了光傳感、光學(xué)驅(qū)動以及內(nèi)置負(fù)反饋回路的建立三個關(guān)鍵功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了器件的自適應(yīng)調(diào)節(jié). 該自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程的實(shí)現(xiàn)，離不開水凝膠材料的光熱轉(zhuǎn)換、熱擴(kuò)散、水?dāng)U散及機(jī)械變形能力，通過模型和理論分析探索該自適應(yīng)調(diào)節(jié)的條件和應(yīng)用范圍，對光響應(yīng)材料的發(fā)展有著重要意義.

3. 2自適應(yīng)趨光運(yùn)動 現(xiàn)有的“向性”研究體現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，但大都局限于固定位置的光學(xué)調(diào)節(jié)或受到較強(qiáng)的邊界條件制約. 最近，

Hou et al［144］開發(fā)了一個整體的、刺激響應(yīng)的趨光軟體載具（PTV），它具有類似水母的對稱性幾何結(jié)構(gòu)，能迅速地朝向任意方向的穩(wěn)定光源自主運(yùn)動，并根據(jù)光源方向的變化，實(shí)時準(zhǔn)確地追蹤. 在光照條件下，光子誘導(dǎo)的多場可逆非對稱性（圖8a）使PTV 可以對任何入射方向作出響應(yīng)，從而產(chǎn)生可提供動力的向光流體運(yùn)動（圖8b），并自發(fā)地采取最佳姿態(tài)進(jìn)行低阻力的向光游動（圖8c）. 為了避免因受熱表面引起上升流而產(chǎn)生的偏移運(yùn)動，PTV 能自適應(yīng)地增強(qiáng)受熱表面的對流換熱，從而為糾正方向偏差提供負(fù)反饋（圖8d和圖8f）. PTV 以耦合納米顆粒的PNIPAM 水凝膠作為基質(zhì)材料，對來自不同方向的光照能作出快速響應(yīng)（圖8e）. 在入射光角度為16°時，基于這種材料制成的向光性器件可在1 s 內(nèi)迅速回復(fù)，比之前報道的最佳值快了近30 倍. 這種不拖線的趨光器件水下運(yùn)動能力出色（18 mm·s^-1），超過了常規(guī)電驅(qū)動、磁驅(qū)動和光驅(qū)動無線軟機(jī)器人. 基于獨(dú)特的自我調(diào)節(jié)能力，PTV 可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動模式，包括上升、連續(xù)跳躍、旋轉(zhuǎn)、越過障礙和集群運(yùn)動等. 高靈敏度和可逆的光化學(xué)機(jī)械反應(yīng)使其能夠在溫和的光照條件下（lt;1 Sun）實(shí)現(xiàn)全方向、全角度和全空間的趨光性和精準(zhǔn)操縱（圖8g 和8h）.在探索光響應(yīng)材料的過程中，結(jié)合多物理場的耦合，光?熱?機(jī)械?流體負(fù)反饋回路的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了軟體系統(tǒng)由簡單運(yùn)動向更高級復(fù)雜三維運(yùn)動的轉(zhuǎn)型，并從受限區(qū)域邁入自由體系.

3. 3自適應(yīng)復(fù)合運(yùn)動 生命體的自我調(diào)節(jié)反應(yīng)來自于體內(nèi)的多層次集成反饋，錯綜復(fù)雜地編制了具有時空復(fù)雜性的動態(tài)運(yùn)動軌跡. 然而，合成驅(qū)動器若試圖實(shí)現(xiàn)沿特定軌跡的運(yùn)動，可以通過制造明確編程到材料中，或通過連續(xù)改變外部刺激直接進(jìn)行實(shí)時操縱. 哈佛大學(xué)的Aizenberg 團(tuán)隊(duì)［145］利用光響應(yīng)材料的分子各向異性，基于光化學(xué)機(jī)械反饋回路在單一物質(zhì)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多樣的、復(fù)雜的、非互易性的類似筆畫軌跡的運(yùn)動（圖9a）. 當(dāng)由光響應(yīng)液晶彈性體制作而成的微柱暴露在靜態(tài)光源下時，分子經(jīng)歷有序到無序的轉(zhuǎn)變并產(chǎn)生方向力，方向力誘發(fā)的機(jī)械運(yùn)動會重新排布分子位置、幾何結(jié)構(gòu)及照明軸，并能持續(xù)、可逆進(jìn)行（圖9b）. 在理論模型的指導(dǎo)下，通過定制參數(shù)，人為編程不同的運(yùn)動，包括照射角度、光強(qiáng)度、分子各向異性、微結(jié)構(gòu)幾何形狀、溫度、照射間隔和持續(xù)時間，指定了由不同變形類型組成的多種運(yùn)動路徑，如扭曲、彎曲、尋光和避光的組合（圖9c 和9d），設(shè)計(jì)了廣泛的軌跡. 以材料的光化學(xué)機(jī)械反饋為基礎(chǔ)，在緊密間隔的微結(jié)構(gòu)陣列中創(chuàng)建自組織變形模式宏觀描述微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動，展現(xiàn)了對于自適應(yīng)系統(tǒng)深刻的理解. 微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜動作的實(shí)現(xiàn)，對軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和能量轉(zhuǎn)導(dǎo)材料等領(lǐng)域的自主多模態(tài)驅(qū)動器，以及對自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)的認(rèn)知發(fā)展具有廣泛的意義.總的來說，自適應(yīng)系統(tǒng)的建立是連接光學(xué)傳感和驅(qū)動的橋梁，充分發(fā)揮了光響應(yīng)材料的靈活性. 在精密工業(yè)應(yīng)用等高科技領(lǐng)域中，自適應(yīng)調(diào)節(jié)概念拓寬了光響應(yīng)材料的應(yīng)用范圍，為解決特定問題提供了新的途徑，同時也推進(jìn)了不同科學(xué)和工程領(lǐng)域間的融合，促進(jìn)物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械工程等領(lǐng)域之間的合作，為探索新材料和新技術(shù)提供動力.

4 結(jié)論

光響應(yīng)材料因其光熱轉(zhuǎn)化和熱機(jī)械形變特性被廣泛應(yīng)用于傳感、驅(qū)動等領(lǐng)域. 研究表明，能在變化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動的驅(qū)動系統(tǒng)依然需要借助電子電路控制或人工干預(yù). 電子電路編程的存在勢必提高系統(tǒng)的自重進(jìn)而增大能耗，人為操作給系統(tǒng)帶來了不確定因素和維護(hù)成本. 就目前的光響應(yīng)材料系統(tǒng)而言，其對于外界刺激的響應(yīng)程度止于其材料的物理或機(jī)械極限且受到環(huán)境和材料特性的限制. 基于材料的相變特性，通過內(nèi)嵌于系統(tǒng)的負(fù)反饋回路控制，光響應(yīng)材料系統(tǒng)逐漸適應(yīng)變化的環(huán)境并實(shí)現(xiàn)更為智能的向光、驅(qū)動和時空非互易性復(fù)雜運(yùn)動. 這些自適應(yīng)能力極大地拓寬了光響應(yīng)材料的應(yīng)用范圍，推動了材料科學(xué)與人工智能、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域的交叉融合，預(yù)示著更加智能化、自動化的未來. 除此以外，以光遺傳學(xué)［146-148］等為代表的生物光學(xué)在神經(jīng)科學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)中彰顯了重要地位，光響應(yīng)材料的開發(fā)為這一領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性，如響應(yīng)特定波長的光精確控制神經(jīng)通路等光遺傳學(xué)工具，結(jié)合光遺傳學(xué)和其他成像與刺激技術(shù)（磁共振成像、超聲等）進(jìn)行多模態(tài)研究，提高組織滲透性以激活更廣闊范圍的活體研究等. 本文對光響應(yīng)材料在光學(xué)傳感、驅(qū)動及自適應(yīng)調(diào)節(jié)等方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述，探索了光響應(yīng)材料在自適應(yīng)系統(tǒng)中巨大的應(yīng)用潛力，為光響應(yīng)材料以及智能材料的研究發(fā)展提供了一個新的思路.

盡管光響應(yīng)材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包含感知、驅(qū)動、修復(fù)等多種功能，但其往往受到各項(xiàng)光參數(shù)的限制，例如光模式或光波長敏感、光照強(qiáng)度和光偏振依賴性強(qiáng)等. 開發(fā)能量利用率高、不挑刺激源且不依賴人工操作的自適應(yīng)系統(tǒng)是未來重要的發(fā)展方向. 另一方面，就系統(tǒng)材料而言，現(xiàn)有的自適應(yīng)光響應(yīng)系統(tǒng)大多基于熱?機(jī)械響應(yīng)聚合物材料，其材料的適應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性、循環(huán)使用壽命等未能得到有效驗(yàn)證. 借助先進(jìn)增材制造和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)探索性能更優(yōu)、成本更低、使用周期更長且生物順應(yīng)性更好的材料是智能驅(qū)動器件發(fā)展的必由之路. 此外，基于光響應(yīng)材料的反饋控制雖然取得了相應(yīng)突破，但從傳感、驅(qū)動到反饋的設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步完善. 當(dāng)前自適應(yīng)系統(tǒng)感受的刺激源也較單一，未來可設(shè)計(jì)具備多種刺激響應(yīng)特性的智能材料（如溫度、濕度、電場、磁場等），以適應(yīng)復(fù)雜、變化的環(huán)境，進(jìn)一步拓寬器件的應(yīng)用范圍和提高器件的應(yīng)用效率. 此外，開發(fā)新的反饋回路甚至是多種自決策閉環(huán)協(xié)同合作，進(jìn)而拓展多物理場耦合驅(qū)動模式. 根據(jù)環(huán)境需求選擇最佳工作模式，實(shí)現(xiàn)更高的智能化. 總之，開發(fā)不拘泥于材料選擇、不受限于工作環(huán)境且在自由空間實(shí)現(xiàn)靈活自主行為的高效、強(qiáng)勁且智能的自適應(yīng)系統(tǒng)是未來驅(qū)動器件、軟體機(jī)器人和多功能材料系統(tǒng)發(fā)展的重要方向.

（責(zé)任編輯 高善露）