羅洪焱??陳科
塑料，是我們日常生活中尋常可見之物，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， 隨著科學家相繼在多個海域的水體和沉積物中發現微塑料，人們意識到了微塑料污染已經成為了一個全球性的環境問題。海洋中的微塑料是一種新型的污染物，顆粒 小、數量多、分布廣且易于被海洋魚、貝類等生物體攝食并富集，進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重威脅。
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近日，四 川大學高分子材料工程國家重點實驗室張新星教授團隊開發出了一種集成化的軟體機器人——由光驅動的機器魚，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行和快速運動的相互排斥性，實現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，相關成果發表在國 際學術期刊《納米快報》上。
軟體機器人材料結構設計。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、靈活和自行推進的軟體機器人來清除這些污染物。
“軟體機 器人在復雜的水域環境中作業，需要具備較高的適應性和環境耐受性等條件，在含鹽量不同或者酸堿環境不同的水域中都能適應自如。”論文第一作者、四川大學高 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，又會產生新的微塑料。
實際上，現有的水生軟體機器人通常都由水凝膠及硅橡膠制成，由于其結構、含水量、介質組成等固有條件，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動方式和驅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定運行。此外，現有的水生軟體機器人多為電機或燃油發動機驅動，難以滿足環境友好和可持續驅動的需求。
“考慮到操作條件和經濟成本，軟體機器人的發展必然會朝著集成化、輕量化和智能化的方向前進。”王宇嫣說，一些研究通過引入功能填料實現了功能集成，但由于納米結構設計的缺乏，使得制備的材料只能進行簡單緩慢的彎曲或伸縮。
另一方面，由于實現材料的功能集成需要功能填料的高填充，而填料填充率高，又會導致復合材料柔性下降，在動態受力下容易開裂破損。“所以，如何平衡材料的功能與力學性能也成為了一個挑戰。”她說。
仿照天然材料 克服功能執行與快速運動的矛盾
基于此，四川大學高分子材料工程國際重點實驗室張新星教授團隊從珍珠母貝（也稱為珍珠層）這一天然材料的微觀梯度中受到啟發，仿制出了一種類似的梯度結構，為軟體機器人創造出一種耐用可彎曲，并且可自動愈合的材料。
“我們發 現，自然界中的珍珠層在無機物含量達到90%以上程度的時候依然能夠同時保持強度和韌性。”據王宇嫣介紹，團隊仿照珍珠層的微觀梯度結構，將環糊精修飾的 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，創造了有序的濃度梯度的納米復合材料。“這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，有利于大規模制備。”
通過結構的改進設計，研究團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行與快速驅動的互斥性。
長期的可靠性是軟體機器人在復雜條件下實際應用的先決條件。在實際操作中，材料的斷裂極易引發重大的安全事故，研究團隊發現，如果材料可以像人體一樣能感知斷裂，并能夠及時進行阻止，進行“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。相比于傳統的均勻分散的材料結構，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。”王宇嫣解釋說，這樣一來，高分子鏈和填料界面上的可逆動態鍵（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強度增大。界面動態氫鍵的斷裂和重組在分子尺度上能量耗散，賦予了復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 新材料應用場景豐富
如今，在自然光等清潔能源的驅動下，這種新的梯度結構還使得“魚身”膨脹不均勻，以此推動前進，機器魚得以在水面暢快游行，并且能吸附微塑料，實現海洋環境的凈化。
據了解，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，當前開發出的軟機器人僅集成了水面微塑料定向收集功能，研究團隊正嘗試引入熒光發光基團，通過熒光基團對不同污染物的熒光響應性，進一步開發能夠在水下在線檢測微塑料污染物的新材料。
“我們還 會持續跟進微塑料污染防控相關工作，針對微塑料環境污染及其風險防控難題，闡明多環境因素耦合作用下典型塑料制品的微塑料產生機制，揭示多介質復雜環境中 微塑料的遷移傳輸機理與毒理效應，為微塑料環境基準建立提供科學依據。”王宇嫣說，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，進而對塑料制品的加工和生產環節進行科學的設計指導，從源頭減少或者阻斷微塑料的產生。
當然，采集微塑料的功能只是其中的一種概念驗證。張新星教授認為，隨著研究深入，這種可愈合的新興材料還將指導開發其他的功能，在太陽能發電、化學反應催化、生物醫藥、航空航天等領域展現出潛在的應用價值。