有机聚合物晶体杂化材料，在仿生机器人中，如何响应温度和湿度

文 | 文晓书生

编辑 | 文晓书生

?——【 ·前言· 】——?

引领着未来机器人领域的发展潮流的，是机械变形激发响应所赋予的神奇能力，它可以通过引导运动或驱动来改变材料的形状，为了实现这一目标，研究需要轻质有机动态材料的支持，而有机分子晶体和聚合物的协同整合正为我们带来更多可能性。

聚合物的湿响应和热响应功能的引入为晶体增色不少，这个混合材料的秘诀在于将分子晶体与聚合物相巧妙地结合，这一创新使得分子晶体这一曾被忽视的材料更贴近软（微）机器人以及相关领域的特定应用。

本研究的主要目的是探讨有机聚合物晶体杂化材料在仿生机器人中作为温度和湿度响应元件的潜力，有机聚合物晶体杂化材料是一类由有机聚合物和无机纳米颗粒组成的复合材料，具有出色的温湿度响应性能。

结果表明，通过改变材料的成分和结构，实现了在不同温度和湿度条件下的可控形变和运动，这些材料的温湿度响应性能够开发出具有自适应性的仿生机器人，并且能够在不同环境中执行任务。

?——【 ·有机聚合物-晶体杂化材料的制备方法· 】——?

1.共沉淀法的制备方法

这是一种常见的制备有机聚合物-晶体杂化材料的方法，其中有机聚合物和晶体纳米颗粒在溶液中同时形成，通常有机聚合物前体和无机晶体前体分别溶解在合适的溶剂中，然后两者混合在一起，通过控制温度和溶液pH来促使它们共沉淀，最后通过分离和干燥来获得有机聚合物-晶体杂化材料。

选择两个不同的溶液，一个包含有机聚合物前体，另一个包含无机晶体前体，将两个溶液混合在一起，使有机聚合物前体和无机晶体前体在同一溶液中共存，通过适当的控制溶液条件，如pH值、温度、溶液浓度等，促使有机聚合物和无机晶体同时沉淀出来。

2.凝胶法的制备方法

凝胶法是一种常用的方法，用于制备有机聚合物-晶体杂化材料。

这个方法通过加热、搅拌和超声等方法使其均匀分散在溶胶中，随后改变溶胶系统的条件逐渐诱导溶胶向凝胶状态过渡，最后将制备好的溶胶-凝胶混合物进行干燥，以去除残留的溶剂和水分，从而得到有机聚合物-晶体杂化材料。

3. 浸渍法的制备方法

浸渍法是一种常用的方法，用于制备有机聚合物-晶体杂化材料，这个方法的基本思想是通过浸渍无机晶体的多孔结构，将有机聚合物前体渗透到晶体内部，从而形成有机聚合物-晶体杂化材料。

将多孔晶体浸渍到有机聚合物前体的溶液中，使有机聚合物前体逐渐渗透到晶体内部，在浸渍过程完成后，将浸渍的晶体取出并进行干燥，以去除溶液中的残余溶剂和水分，最终的有机聚合物-晶体杂化材料需要通过各种材料表征技术进行结构和性质的详尽表征，以确保其满足特定应用的要求。

4.原位聚合法的制备方法

原位聚合法是一种用于制备有机聚合物-晶体杂化材料的方法，其中有机聚合物的单体与无机晶体的合成过程同时进行，这种方法允许有机聚合物与晶体无缝结合，形成一种具有均匀分布的复合材料。

选择适合的有机单体，将有机单体与无机晶体前体混合在一起，并在适当的条件下触发原位聚合反应，在原位聚合的过程中，有机聚合物的单体逐渐与无机晶体前体相互作用，并在晶体表面或内部形成聚合物。

5. 自组装法制备方法

自组装法是一种用于制备有机聚合物-晶体杂化材料，其中有机聚合物和无机晶体之间的相互作用被利用来自发地组装形成复合材料，在这种方法中，依赖于分子层面的相互吸引和自组装能力，使有机和无机成分在特定条件下结合成复合材料。

将有机聚合物和无机晶体前体的溶液混合在一起，并通过调控温度、浓度、搅拌速度等条件来促使它们自组装，形成的复合材料从溶液中分离出来，通常通过离心、过滤或沉淀杂化材料的方法，之后对分离的杂化材料进行干燥，以去除残留的溶剂和水分，以确保其满足特定应用的要求。

?——【 ·晶体杂化材料对湿度和温度的响应· 】——?

1.聚合物-纳米粒子复合材料

聚合物-纳米粒子复合材料是一种功能性材料，通常由有机聚合物和纳米尺寸的颗粒或颗粒集合物组成，通过有机聚合物的吸水膨胀性质，当环境中的湿度增加时，有机聚合物部分会吸收水分，导致其体积膨胀，这个体积膨胀可以通过测量复合材料的体积或长度变化来检测。

2.液晶杂化材料

液晶杂化材料是一种特殊的晶体杂化材料，它们由有机液晶分子与无机晶体或纳米颗粒结合而成，液晶杂化材料对温度变化非常敏感，因为温度可以影响有机液晶分子的相态转变和分子排列，通过调整温度，可以实现液晶材料的相变，从而改变其光学、电学和机械性质。

3.金属有机框架（MOF）

金属有机框架是一类由有机配体与金属离子组合而成的晶体杂化材料，这些材料的特点是由金属离子和有机配体构建的结构性单元重复排列，形成了具有多孔结构的晶体材料。

MOF的最显著特点之一是其多孔性质，即具有大量微孔和介孔结构，这些孔隙可以用于吸附和储存气体分子、液体和离子，使MOF在气体吸附、气体分离和储氢等应用中具有巨大潜力。

4.发光杂化材料

发光杂化材料是一类具有发光性质的复合材料，它们通常由有机分子或聚合物与无机材料组合而成，对湿度的响应通常基于材料中的某种湿度敏感元素，湿度敏感元素的结构或电子状态可能随湿度的变化而改变，从而影响发光杂化材料的发光特性，这种变化可以表现为发光颜色的变化、发光强度的增加或减少。

5.导电聚合物复合材料

导电聚合物复合材料是一种由导电聚合物与其他材料组合而成的材料，这种复合材料具有导电性能，即具备导电或半导电的特性，同时还保留了其他材料的性质。

导电聚合物复合材料对湿度的响应通常基于材料中的湿度敏感元素，湿度的增加可以导致湿度敏感元素吸收水分，从而改变导电聚合物复合材料的电导率，高湿度下，电阻率下降，而低湿度下电阻率升高。

?——【 ·晶体杂化材料在软机器人中的应用· 】——?

1.可变形结构

可变形结构晶体杂化材料在软机器人中的应用指的是利用具有可变形结构的晶体杂化材料来制造软体机器人，以实现形状的自适应变换，以适应不同的任务和环境。

利用可变形结构晶体杂化材料，软体机器人可以根据任务的需求自动改变形状，通过嵌入传感器和晶体杂化材料，机器人可以根据检测到的信息调整形态，以适应不同的光照、温度、湿度或气候条件。

2.运动机制

运动机制晶体杂化材料在软机器人中的应用涉及使用晶体杂化材料来实现软体机器人的运动和形态变换。这种技术结合了晶体杂化材料的智能响应性质和软体机器人的柔性特性，具有广泛的应用潜力，可以用于各种不同类型的机器人和任务。

某些晶体杂化材料在受到外部刺激时可以改变形状，软体机器人可以利用这种性质来调整身体部分的形状，以实现运动或适应环境。

3.抓取和操控晶体杂化

抓取和操控晶体杂化材料在软机器人中的应用指的是使用具有智能响应性质的晶体杂化材料来实现软体机器人的抓取和操控任务。

这种技术结合了晶体杂化材料的智能性能和软体机器人的柔性特性，使机器人能够更有效地处理物体、执行精确的操控任务，以及适应不同形状和性质的物体。

4.环境适应性

环境适应性晶体杂化材料在软机器人中的应用是指利用具有环境感知和响应性质的晶体杂化材料，这种技术结合了晶体杂化材料的智能性能和软体机器人的柔性特性，使机器人能够更好地适应和交互于其周围的环境。

某些晶体杂化材料可以感知和响应环境中的温度、湿度和光照等气候条件，软体机器人可以根据这些条件自动调整其形状、运动模式或外部涂层，以适应不同的气候环境，如极端温度、高湿度或低光照条件。

?——【 ·笔者观点· 】——?

本文通过综合文献回顾、材料制备、温度的响应和在软机器人中的应用等方面的内容，系统地探讨了有机聚合物晶体杂化材料在仿生机器人中作为温度和湿度响应元件的潜力。

这些材料的温湿度响应性能为仿生机器人的自适应性和稳定性提供了新的可能性，有望推动仿生机器人领域的进一步发展。

未来的研究方向包括进一步优化材料性能、开发更复杂的仿生机器人系统以及探索实际应用领域中的潜在应用。

?——【 ·参考文献· 】——?

[1] 昆虫级快速移动超强软机器人的应用.卢斌；安格；冯婷；支歆. 波利姆科学, 2011

[2] 有机晶体波导光输出的空间光控制. 权淑丽; 哈拉比. 科学机器人,2013

[3] 具有耐溶剂能力和光波导功能的聚合物包覆有机晶体. 卢志; 张海. 有机半导体晶体,2013

[4] 聚乙烯醇弱水合薄膜中氢键的红外研究. 关淑霞; 自然; 兰林峰. 超分子结构与工程技术,2011

[5] 耐低温二维弹性弯曲和可重构塑性扭曲变形集成. 马其顿;余文轴. 材料研究中心与冶金工程,2008