羅洪焱??陳科

塑料，是我們?nèi)粘Ｉ钪袑こ？梢娭?，如今，塑料污染已成人類大敵，形成了所謂的“白色污染”。實際上，比“白色污染”更可怕的，是在無形之中悄然威脅生物健康的“微塑料”污染。

近年來， 隨著科學(xué)家相繼在多個海域的水體和沉積物中發(fā)現(xiàn)微塑料，人們意識到了微塑料污染已經(jīng)成為了一個全球性的環(huán)境問題。海洋中的微塑料是一種新型的污染物，顆粒 小、數(shù)量多、分布廣且易于被海洋魚、貝類等生物體攝食并富集，進(jìn)一步隨著食物鏈的傳遞，會對海洋生物的生存以及人類健康造成嚴(yán)重威脅。

【資料圖】

近日，四 川大學(xué)高分子材料工程國家重點實驗室張新星教授團(tuán)隊開發(fā)出了一種集成化的軟體機器人——由光驅(qū)動的機器魚，它能快速“游動”，撿起并清除微塑料。這種機器 魚打破了軟體機器人功能執(zhí)行和快速運動的相互排斥性，實現(xiàn)了更高程度的集成化與智能化。不僅如此，這種材料在切割后還能自我愈合。日前，相關(guān)成果發(fā)表在國 際學(xué)術(shù)期刊《納米快報》上。

軟體機器人材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。受訪者供圖

清除微塑料 軟體機器人材料需具備多種性能

微塑料在地球上幾乎無處不在，在水域環(huán)境中尤其多，一旦它們落在水道底部的角落和縫隙中，便很難從水生環(huán)境中去除。針對這一情況，目前常用的解決方案是使用小型、靈活和自行推進(jìn)的軟體機器人來清除這些污染物。

“軟體機 器人在復(fù)雜的水域環(huán)境中作業(yè)，需要具備較高的適應(yīng)性和環(huán)境耐受性等條件，在含鹽量不同或者酸堿環(huán)境不同的水域中都能適應(yīng)自如?！闭撐牡谝蛔髡?、四川大學(xué)高 分子研究所博士生王宇嫣說，在水域條件下工作，軟體機器人不可避免會遭受水流的沖刷，這要求機器人材料必須滿足一定的機械強度，若機器人材料在水中遭受破 壞或者碎裂，又會產(chǎn)生新的微塑料。

實際上，現(xiàn)有的水生軟體機器人通常都由水凝膠及硅橡膠制成，由于其結(jié)構(gòu)、含水量、介質(zhì)組成等固有條件，因此機械性能差，并且容易損壞。

目前，許 多研究者在機器人的各種驅(qū)動方式和驅(qū)動速度方面取得了重大突破，比如引入機械手等額外的分離功能模塊等。然而，這類嵌入式電子元件無疑會增加機器人的重 量，不利于機器人快速穩(wěn)定運行。此外，現(xiàn)有的水生軟體機器人多為電機或燃油發(fā)動機驅(qū)動，難以滿足環(huán)境友好和可持續(xù)驅(qū)動的需求。

“考慮到操作條件和經(jīng)濟(jì)成本，軟體機器人的發(fā)展必然會朝著集成化、輕量化和智能化的方向前進(jìn)。”王宇嫣說，一些研究通過引入功能填料實現(xiàn)了功能集成，但由于納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺乏，使得制備的材料只能進(jìn)行簡單緩慢的彎曲或伸縮。

另一方面，由于實現(xiàn)材料的功能集成需要功能填料的高填充，而填料填充率高，又會導(dǎo)致復(fù)合材料柔性下降，在動態(tài)受力下容易開裂破損?！八裕绾纹胶獠牧系墓δ芘c力學(xué)性能也成為了一個挑戰(zhàn)。”她說。

仿照天然材料 克服功能執(zhí)行與快速運動的矛盾

基于此，四川大學(xué)高分子材料工程國際重點實驗室張新星教授團(tuán)隊從珍珠母貝（也稱為珍珠層）這一天然材料的微觀梯度中受到啟發(fā)，仿制出了一種類似的梯度結(jié)構(gòu)，為軟體機器人創(chuàng)造出一種耐用可彎曲，并且可自動愈合的材料。

“我們發(fā) 現(xiàn)，自然界中的珍珠層在無機物含量達(dá)到90%以上程度的時候依然能夠同時保持強度和韌性?！睋?jù)王宇嫣介紹，團(tuán)隊仿照珍珠層的微觀梯度結(jié)構(gòu)，將環(huán)糊精修飾的 磺化石墨烯納米片層以層層抽濾的方式，逐層遞增組裝到聚氨酯膠乳中，創(chuàng)造了有序的濃度梯度的納米復(fù)合材料?！斑@樣的制備方法不僅有效解決了功能填料高填充 的難題，并且過程簡單，有利于大規(guī)模制備?！?/p>

通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計，研究團(tuán)隊用這種新材料制成了一個15毫米（約半英寸）長的微型機器魚，使其既能快速游動又能吸附微塑料，打破了軟機器人功能執(zhí)行與快速驅(qū)動的互斥性。

長期的可靠性是軟體機器人在復(fù)雜條件下實際應(yīng)用的先決條件。在實際操作中，材料的斷裂極易引發(fā)重大的安全事故，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，如果材料可以像人體一樣能感知斷裂，并能夠及時進(jìn)行阻止，進(jìn)行“自我療愈”，就能大大延長材料的服役壽命。

“我們在 梯度組裝的同時，創(chuàng)新性引入了功能填料與聚合物軟基體之間的界面氫鍵。相比于傳統(tǒng)的均勻分散的材料結(jié)構(gòu)，新材料的層與層之間有許多超分子的相互作用，這就 使得材料在被切割后還能自我愈合，仍然保持吸附微塑料的能力?！蓖跤铈探忉屨f，這樣一來，高分子鏈和填料界面上的可逆動態(tài)鍵（多重氫鍵）在斷裂后接觸界面 又能迅速重排，這使得聚合物界面的力學(xué)強度增大。界面動態(tài)氫鍵的斷裂和重組在分子尺度上能量耗散，賦予了復(fù)合材料自動愈合的能力，也增強了拉伸能力。

為塑料危機帶來曙光 新材料應(yīng)用場景豐富

如今，在自然光等清潔能源的驅(qū)動下，這種新的梯度結(jié)構(gòu)還使得“魚身”膨脹不均勻，以此推動前進(jìn)，機器魚得以在水面暢快游行，并且能吸附微塑料，實現(xiàn)海洋環(huán)境的凈化。

據(jù)了解，這種機器魚可以每秒移動2.67個身長——這一速度比之前報道的其他軟游泳機器人速度更快，與活躍的浮游生物在水中移動的速度大致相同。

王宇嫣表示，當(dāng)前開發(fā)出的軟機器人僅集成了水面微塑料定向收集功能，研究團(tuán)隊正嘗試引入熒光發(fā)光基團(tuán)，通過熒光基團(tuán)對不同污染物的熒光響應(yīng)性，進(jìn)一步開發(fā)能夠在水下在線檢測微塑料污染物的新材料。

“我們還 會持續(xù)跟進(jìn)微塑料污染防控相關(guān)工作，針對微塑料環(huán)境污染及其風(fēng)險防控難題，闡明多環(huán)境因素耦合作用下典型塑料制品的微塑料產(chǎn)生機制，揭示多介質(zhì)復(fù)雜環(huán)境中 微塑料的遷移傳輸機理與毒理效應(yīng)，為微塑料環(huán)境基準(zhǔn)建立提供科學(xué)依據(jù)?！蓖跤铈陶f，如果直接把這些“魚”投放到海洋里，就能收集并分析海洋中微塑料的組 成，進(jìn)而對塑料制品的加工和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計指導(dǎo)，從源頭減少或者阻斷微塑料的產(chǎn)生。

當(dāng)然，采集微塑料的功能只是其中的一種概念驗證。張新星教授認(rèn)為，隨著研究深入，這種可愈合的新興材料還將指導(dǎo)開發(fā)其他的功能，在太陽能發(fā)電、化學(xué)反應(yīng)催化、生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 四川大學(xué) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 高分子材料 天然材料