自然界中的軟體生物對其顏色、對比度以及形狀有著驚人的自主控制能力。它們通過動態(tài)的身體圖案及生物發(fā)光實現(xiàn)同類之間的信息交流、偽裝、保護(hù)和預(yù)警，以適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境。一個典型的例子是警報水母，當(dāng)其感知到海洋獵食者襲擊并受傷時，會發(fā)出耀眼的光芒以吸引更大的獵食者來消滅眼前的侵略者。這種兼具有感知、識別、自適應(yīng)和保護(hù)的水下環(huán)境交互能力有助于探索水下神秘環(huán)境及新物種，從而為水下活動的開展提供豐富且必要的信息。
 

　　在現(xiàn)有的人工系統(tǒng)中，顏色響應(yīng)的軟致動器、電子皮膚和氣動/液壓驅(qū)動的環(huán)境交互系統(tǒng)(如防偽和視覺通信)等新興的仿生設(shè)計模仿了類似生物的感覺或運動行為，旨在豐富某些機器的功能，如軟體機器人或假肢。然而，能夠?qū)㈩伾⒏杏X和自主變形特征集成至一個系統(tǒng)中的軟執(zhí)行器鮮少報導(dǎo)。特別是當(dāng)它們暴露在惡劣的水下環(huán)境中時，高壓、水潤濕性以及流體波動等因素會嚴(yán)重威脅其導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和可控變形能力。因此，為了實現(xiàn)水環(huán)境下的綜合功能，需要設(shè)計特定的結(jié)構(gòu)和新的工作機制，從而滿足水下環(huán)境探索與交互的需求。
 

　　近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點實驗室智能高分子材料團隊陳濤研究員和肖鵬研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)，受警報水母的啟發(fā)，開發(fā)了一種集水下視覺、感知及自主驅(qū)動的仿生水母機器人，實現(xiàn)了對水下刺激的動態(tài)感知與熒光預(yù)警。
 

　　當(dāng)警報水母受到外界刺激時，它們會自發(fā)地通過熒光蛋白和鈣離子的結(jié)合發(fā)出明亮的光，以實現(xiàn)自我保護(hù)和水下通信 (圖1a)。受此啟發(fā)，研究團隊制備了一種功能和結(jié)構(gòu)集成的熒光皮膚，可以實現(xiàn)刺激感知、自主水下3D變形和熒光展示(圖1b)。仿生熒光皮膚由碳納米管網(wǎng)絡(luò)與熒光摻雜的硅基彈性體在水/空氣界面非對稱原位復(fù)合而成，并以懸浮式結(jié)構(gòu)集成至仿生水母機器人中(圖1c)。在水壓誘導(dǎo)的三維變形下，碳納米管網(wǎng)絡(luò)發(fā)生均勻應(yīng)變，底層的熒光分子暴露。通過應(yīng)變相關(guān)的微裂紋效應(yīng)可實現(xiàn)動態(tài)電信號和可逆機械顯色。此外，設(shè)計了基于仿生水母機器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能主動感知外部正常甚至危險的刺激，并通過自主的3D變形和實時的熒光預(yù)警實現(xiàn)自我保護(hù)與水下通訊，在水下視覺環(huán)境交互系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力(圖1d)。
 

　　該工作近期以題為“Jellyfish-Inspired Visual and Sensory Bubbling Robots with Automatic 3D Morphable Films for Underwater Environmental Interaction”的論文發(fā)表在ACS Nano上(ACS Nano, 2024, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06714)。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFC2805200)、國家自然科學(xué)基金(52373094、52073295)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2023313)、中德合作國際交流項目(M-0424)、寧波市重大研發(fā)計劃項目(20241ZDYF020148)和寧波國際合作項目(2023H019)等項目的資助。(海洋關(guān)鍵材料重點實驗室 黎姍、肖鵬)
 

圖1 具有水下感知、自主3D形變及熒光預(yù)警的仿生水母機器人