中国人民大学王亚培团队AM：仿生蚯蚓！

由于化学农药和化肥的过度使用，当代农业需要克服的主要问题是土壤板结导致土壤生产力下降。而蚯蚓作为自然界的生态系统工程师，具有转化有机废物的能力和加强土壤排水和通气的作用，可以显著影响土壤生态系统的结构和功能。但是，蚯蚓受到许多恶化的环境因素的限制，在土壤中的天然蚯蚓的数量越来越少。为了优化农业系统，如果能够构造出人工蚯蚓以代替天然蚯蚓使得土壤松动是解决这一问题的有效方案之一。

近几十年间，许多具有将外部刺激转化为特定位移和力的刺激响应型执行器在许多应用中显示出巨大的潜力，如传感器、软体机器人、人工肌肉、和仿生执行器等。其中，由亲水-疏水不对称结构制成的水响应执行器可能是制造模仿蚯蚓钻洞活动的仿生机器人的主要选择，因为水在土壤中具有更好的渗透性，相对于其他刺激，如温度、大气压力和太阳辐射的变化，湿度变化更频繁。然而，尽管已经开发了大量的水响应材料用于执行器的制造，但与动物肌肉相比，它们大多表现出较慢的响应、较小的变形或较低的应力产生，而且也无法执行类似于蚯蚓的复杂执行行为。

近期，中国人民大学王亚培团队利用疏水的醋酸纤维素（CA）可以被丙烯酰胺（AM）溶胀的特性，合成了醋酸纤维素-聚丙烯酰胺（CA-LPAM）亲水-疏水复合双层膜。受益于CA和LPAM之间的相互渗透，克服了多数湿度驱动执行器都有的双层之间的界面结合不强的问题，因此这种复合双层膜作为一种特殊的致动器，其最大弯曲曲率为7.3cm-1，响应速度为30°/s，负载能力高达4.6N/cm2。CA/CA-LPAM复合双层膜可以进一步配制成可编程的水响应执行器，具有更复杂的变形性能，而不是单一的弯曲，可以实现模拟蚯蚓的钻洞活动的智能刮削机器人。通过在土壤中植入CA/CA-LPAM致动器的现场试验表明，仿生蚯蚓机器人的扭曲变形能够增加土壤的孔隙度，并在降雨时提高水渗入土壤的速度。由于这种人工蚯蚓的成本低且生物可降解，这种基于纤维素的智能机器人有望协助完成一些支持生态系统修复和有利于农业系统可持续性的任务，而不造成环境危害。该工作以题为“A Programmable Actuator as Synthetic Earthworm”的文章发表于Advanced Materials上

水响应执行器的设计与制备

将含有少量引发剂的丙烯酰胺（AM）水溶液被用来通过单向浸润使CA薄膜的一面溶胀。其中，氢键作用被认为是丙烯酰胺渗入CA膜的主要驱动力。部分溶胀的CA膜经受紫外线照射，使AM在CA内聚合，形成复合双层结构，溶胀的CA在这一过程中转化为CA和线性PAM（LPAM）之间的互渗聚合物网络。所形成的CA-LPAM层和CA层在水环境中会发生不均匀溶胀，导致双层薄膜弯曲。同样，在脱水过程中，CA-LPAM层的体积收缩也比CA层的收缩大得多，导致反向弯曲。基于此机理，致动器可以在环境中产生变形。

对再水化和脱水情况下对执行器的变形程度的影响进行了进一步的研究。这种致动器表现出可控的湿度响应性、优良的耐久性和循环稳定性。弯曲变形有关的参数主要有两个，包括CA-LPAM的溶胀率和厚度。CA-LPAM的溶胀率和厚度与丙烯酰胺的浓度和溶胀时间密切相关。因此比较了一系列由不同AM浓度和溶胀时间的CA/CA-LPAM薄膜制成的执行器。在乙醇脱水或再水化条件下，它们分别沿逆时针或顺时针方向弯曲，直到达到稳定状态。值得注意的是，当致动器吸水时，观察到从CA-LPAM侧到CA侧的快速弯曲行为，而当水合致动器受到乙醇影响时，发生了反向弯曲。在给定的AM浓度下，同时增加溶胀时间，脱水稳态弯曲角从-15°增加到+150°，再水化稳态弯曲角从+540°增加到+1170°。同样，在给定的溶胀时间，同时增加AM浓度，脱水稳态弯曲角从-450°增加到+30°，再水化稳态弯曲角从+300°增加到+810°。该材料的响应时间也十分迅速度，在30°/s，180 s以内完成响应。

水响应执行器的编程和土壤疏松应用

除了沿对称轴的弯曲和滚动，如果用LPAM以图案方式生长在CA膜一侧，还可以实现其他复杂的变形。在没有专门的仪器制造图案结构的帮助下，可以通过笔写的方式将LPAM图案画到CA膜上。用记号笔在CA膜上书写图案，油墨覆盖的区域不会被AM溶液膨胀。只有那些没有标记的区域可以溶胀入AM单体，并在光聚合后用PAM生长。与同时，CA是硬的，几乎没有水反应，而CA-LPAM是软的，可以被水溶胀。因此相邻的CA区域限制了CA-LPAM区域沿Y轴方向的弯曲，正如方案中指出的，只允许其在X轴方向的局部弯曲。因此，CA/CA- LPAM致动器的弯曲方向是由钢笔书写的标记线决定的。SEM观察清楚地区分了用钢笔墨水标记的区域与邻近区域的不同，并且没有氮元素而富含碳元素表明LPAM没有在标记区域形成，证实了制备CA-LPAM图案层的成功。通过对CA-LPAM层上的标记图案的合理设计，可以预见具有复杂和可控方式的可编程变形。

鉴于CA/CA-LPAM执行器具有承载重物和可控弯曲的能力，当土壤湿度变化时，CA/CA-LPAM执行器被用作人造蚯蚓来松土。这一探索是水反应型执行器在农业领域的新应用。并且，具有双向卷曲能力的执行器很容易被大规模制造出来。一旦条状物被水化，两边的图案化LPAM就会驱动致动器向相反方向卷曲。CA-LPAM致动器可以在浅层土壤（0~2厘米）中保持其快速卷曲的性能。很明显，在干燥的土壤下的致动器出现在模拟的雨水条件下，可以挖掘、抓取和提升土壤。此外，虽然致动器在深层压实的土壤（2~6厘米）中不能像程序那样卷曲，但致动器的弯曲变形仍然强大到足以疏松压实的土壤，并在其中形成复杂的连续孔隙。这些行为类似于天然蚯蚓的行为，它们能够在降雨期间增加土壤孔隙度，在农业生产中发挥重要作用，因为它们有助于提高土壤中的水分渗透率，加速土壤与大气的气体交换。通过模拟在雨天形成积水，并记录雨水渗透通过混合有或没有致动器的厚土的重量来评估土壤渗透性。很明显，经过5分钟的注水，实验组的积水被完全清除，渗水的重量为51.60克，远远高于不使用致动器的对照组（只有25.16克）。此外，还记录了排水过程中渗滤液重量的变化。与对照组相比，致动器可以减少积水渗入土壤所需的时间（从95秒到50秒），也加快了水的渗透率（从8.0克/分钟到17.0克/分钟）。这些结果表明，CA-LPAM执行器将是满足现代农业对高渗透率的肥沃土壤的要求的选择之一。

小结：该文报道了一种通过丙烯酰胺使醋酸纤维素溶胀的现象，从而制备疏水性-亲水性复合双层致动器。与其他许多已有的制备亲水-疏水复合双层结构的方法相比，制备致动器的方法，可以实现用笔写出亲水层的图案，该方法简单、低成本并且可大规模生产。由于聚丙烯酰胺生长在醋酸纤维素支架中，亲水层和疏水层紧密结合，所以执行器在反复变形中表现出可靠的稳定性。在响应湿度变化的显著和可控的变形方面，可编程致动器被用来在雨天松土，模仿天然蚯蚓的松土行为。这种合成蚯蚓是对水反应型致动器的创新应用，为在与农业相关的领域扩大刺激反应型和可降解聚合物材料的应用开辟一条新途径。

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来源：高分子科学前沿

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