中科院杜学敏Adv. Funct. Mater.：含羞草启发的高灵敏度和多响应淀粉致动器
一、 【导读】
人工智能致动器是一类能够对外部刺激做出形状、颜色或产生运动等响应的装置，其发展潜力在于其可能彻底改变软体机器人、人机界面、生物医学设备等领域。这些智能致动系统通常采用合成聚合物制造，如对刺激响应的水凝胶、形状记忆聚合物和液晶弹性体，利用各种机制包括各向异性肿胀、不可逆/可逆共价键和晶态转变。这些合成聚合物组件赋予了令人着迷的驱动功能，包括可控的形状变换、多模式运动，并通过裸眼颜色变化感知在暴露于光、热、湿度、化学品、电场和磁场等各种刺激时的环境变化。然而，基于合成聚合物的这些致动器在可更新性、可持续性和安全性方面面临挑战，特别是在机器人、生物医学、食品和家居等领域的应用中。同时，天然聚合物制成的致动器由于存在大量氢键锁定体，显示出有限的能力和性能，限制了其在实际应用中的发展。
二、【成果掠影】
近日，中科院深圳先进研究院杜学敏教授团队报告了一种新的氢键介导策略，用于开发受含羞草启发的淀粉致动器（SA）。通过利用淀粉的糊化和丰富的氢键特性，这些SA在各种情况下实现了高灵敏度和多响应的致动效果。非糊化的SA可以通过近红外光在不可逆地编程成各种形状，如人工花朵、碗形和螺旋结构。此外，当暴露在低湿度（10.2%）、低温（37℃）或低能量光（0.42 W cm−2）下时，糊化的SA表现出可逆的多响应致动效果。更重要的是，这些SA在智能家居领域表现出了强大的应用潜力，包括人工含羞草、智能灯罩和变形食品。通过克服天然聚合物中存在的氢键锁定体，SA为下一代可回收材料和致动器开辟了新的道路，将它们更接近实际应用的可能性。相关成果以“Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators”为题发表在Advanced Functional Materials上。
三、【核心创新点】
这项研究创新地采用氢键介导策略，开发出受含羞草启发的淀粉致动器（SA），利用淀粉的糊化和丰富的氢键特性，在多种情况下实现高灵敏度和多响应的致动效果，展现了智能家居等领域的强大应用潜力，并为下一代可回收材料和致动器的实际应用开辟新的可能性。
四、【数据概览】
图1. SA系统的制备和原理。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.
A）马铃薯淀粉的照片和淀粉颗粒结构的示意图，以及其在热诱导的糊化过程中的结构转变。
B）SA组分的示意图。
C）非糊化SA薄膜的照片，表面形态的扫描电子显微镜图像，以及薄膜中嵌入的镓铟液晶弹性体的能谱映射。
D）非糊化SA的光诱导不可逆部分糊化的示意图，以及光诱导下螃蟹在水中摆动螯的照片（厚度为430微米，功率密度为4.8 W cm−2）。
E）糊化SA薄膜的照片，表面形态的扫描电子显微镜图像，以及薄膜中嵌入的镓铟液晶弹性体的能谱映射。
F）光响应性糊化SA的示意图，以及人工花朵在空气中可逆光响应致动的照片（厚度为26微米，功率密度为0.24 W cm−2）。
图2. 编程形状变形机制与行为。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.
A）非糊化SA薄膜在水下光诱导形状变形的照片。
B）非糊化SA薄膜（厚度为430微米）在近红外辐照（功率密度为4.8 W cm−2）前后的扫描电子显微镜横截面形态图像。
C）近红外辐照（功率密度为4.8 W cm−2）后的非糊化SA薄膜的杨氏模量映射（顶部和底部表面）。
D）形状变形机制的示意图。
E）非糊化SA薄膜在近红外辐照前后的2D-WAXD图样。
F）非糊化SA薄膜在近红外辐照前后的1D-WAXD图谱。
G）非糊化SA薄膜的近红外辐照依赖性傅立叶红外光谱（辐照时间从0到60秒）。
H）通过在每个花瓣下方照射（功率密度为4.8 W cm−2，厚度为430微米），人工花朵的光诱导可编程折叠。
I）通过在上方（位置1和2）和下方（位置3和4）照射（功率密度为4.8 W cm−2，厚度为430微米），平面环的光诱导可控形状变形。
图3. 多响应致动的机制和行为。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.
A）在不同相对湿度（从10.2%到19.2%）下，糊化SA薄膜对湿度的响应诱发形状变化。在相对湿度为14.5%时，致动速度高达66.5°/秒。
B）在不同温度（从37℃到52℃）下，糊化SA薄膜对温度的响应诱发形状变化。在相对湿度为40℃时，致动速度高达56.5°/秒。
C）在不同激光功率密度（从0.42到2.4 W cm−2）下，糊化SA薄膜对光热的响应诱发形状变化。在相对湿度为0.64 W cm−2时，致动速度高达22.3°/秒。
D）多响应致动机制的示意图。
E）糊化SA薄膜对水汽暴露时间（从0到60秒）的依赖性ATR-FTIR光谱。
F）糊化SA薄膜对温度（从25℃到110℃）的依赖性FTIR光谱。
G）人工蝴蝶在手指上扇动的图像，以及相应的弯曲角度变化。
H）经过1000个35℃水汽刺激周期后，糊化SA薄膜的长期致动耐久性。
图 4. 多响应SA用于智能家居和变形食品。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.
A）手指触发下含羞草和人工含羞草的致动。
B）在叶片上设计电极阵列后，人工含羞草不仅可以改变形状，还可以感知触摸刺激。
C）智能灯罩的示意图。
D）通过开关灯光的照明，灯罩的致动照片和红外热像图。
E）开关灯光时的弯曲角度和温度变化。
F）在水下接受48 W cm−2近红外辐照后，人工章鱼的光诱导动态形状构型。
G）在土壤中的非糊化SA薄膜的生物降解照片，表明其在38天内发生了降解。
五、【成果启示】
总之，本研究开发了一种新的策略，用于制备多响应且可生物降解的淀粉致动器，充分利用其糊化和内在氢键的独特特性，克服了传统聚合物基致动器固有的瓶颈，因为它们通过光、湿度和温度实现实时氢键调节的稳健能力。该研究展示了这些SA表现出精确可编程的变形行为和出色的致动能力，包括对超低湿度（约10.2%）、人体温度（约37℃）和低能量近红外辐射（0.42 W cm−2）高度敏感，但快速且无疲劳的致动行为（1000次循环）。这种高度敏感、多响应且可逆-不可逆致动为它们在环境监测、智能灯罩和智能食品等方面带来了独特的应用。这些SA作为天然来源、制备简便且拥有独特特性的材料，为环境友好型致动材料和智能生活带来了新的可能性。
原文详情：Hu, H., Nie, M., Galluzzi, M., Yu, X., Du, X., Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators. Adv. Funct. Mater. 2023, 2304634.
https://doi.org/10.1002/adfm.202304634
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