中科院宁波材料所陈涛、路伟Angew:新型环境驱动软体机器人，利用动态配位键实现体温驱动的自主运动

在自然界中，生物系统能够高效利用环境中低密度的能量（如体温、环境热量）来实现持续的宏观运动，例如沙门氏菌通过动态离子配位实现鞭毛的自主摆动。然而，人工系统往往受限于高能量需求、复杂控制机制以及材料在持续刺激下的稳定性问题。传统方法要么需要频繁切换外部刺激，要么依赖激光、强热源等高密度能量输入，限制了其在真实环境中的应用。如何在低能量密度环境中实现持续、自驱动的运动，一直是软体机器人与智能材料领域的重大挑战。

近日，中科院宁波材料所陈涛研究员、路伟研究员和加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授合作提出了一种创新的“自振荡马达”概念，通过分子级别的动态配位键实现环境中微弱能量的捕获与转换。研究团队开发了一种基于超分子PDMS材料的配位驱动振荡器（CoMO），其热膨胀能力是普通PDMS的25倍，能够利用低至体温的环境热量，通过可逆的配位键解离与重组，将分子级别的变化转化为持续的宏观振荡。该机制进一步被用于构建多地形适应的自主行走机器人（CoMbot），展示了在真实环境中利用太阳能、电子设备废热等低密度能源进行运动的能力。相关论文以“Dynamic Bonding Enabled Ambient-Driven Motors”为题，发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。

研究团队从沙门氏菌鞭毛运动的分子机制中获得灵感，设计了一种基于铕离子（Eu³⁺）与2,6-吡啶二亚胺（Pdimi）之间动态配位的软材料。如图1所示，这种动态配位键在加热时迅速解离，冷却时快速重组，类似于细菌鞭毛中MotA–离子–MotB的可逆相互作用。将这种Eu-Pdimi-PDMS作为主动层与纤维素纸被动层结合，构建出CoMO振荡器。其能够在等温热源（如60°C）上实现稳定、自持续的上下摆动，频率约为0.18 Hz，振幅达17°。

图1： 受沙门氏菌自主运动鞭毛启发的振荡CoMO与自主CoMbot示意图。a）鞭毛振荡的微观机制，由细胞膜上蛋白质的化学-机械耦合产生扭矩，源自MotA蛋白与MotB蛋白之间可逆的离子（H⁺或Na⁺）配位。b）CoMO的仿生振荡，主要源于化学-机械耦合，通过高度可逆的Eu-Pdimi配位相互作用实现主动层材料的重复热膨胀与收缩。c）Eu(pdpmi)₂³⁺结构随温度波动的可逆解离与结合。d）Eu(pdpmi)₂³⁺的温度相关FT-IR光谱。

图2展示了Eu-Pdimi-PDMS材料的动态性能。该材料在温度变化下表现出显著的模量变化（20°C至120°C模量下降超过500倍），并且其松弛时间随温度升高急剧缩短，说明配位键具有高度动态性。这种特性使得材料具备极大的热膨胀系数（6.38×10⁻³ K⁻¹），远高于普通PDMS，为宏观运动提供了基础。

图2： Eu-Pdimi-PDMS材料的动态力学性能。a）Eu-Pdimi-PDMS聚合物网络结构示意图。b）Eu³⁺与Pdimi配位平衡随温度变化示意图。c）频率扫描下的储能模量（G'）变化。d）松弛时间随温度变化。e）温度依赖性流变测试显示模量随温度升高显著下降。

CoMO的振荡机制源于其内置的“化学-机械耦合”反馈循环，如图3所示。当CoMO靠近热源时，主动层受热膨胀，使其向上弯曲并超越平衡位置；随后因远离热源而冷却，配位键重组导致收缩，并在惯性作用下向下回摆，形成持续的周期性运动。值得注意的是，整个过程中温度变化仅约2°C，显示出其对微弱能量输入的高灵敏度。

图3： 动态键合实现的化学-机械耦合将分子转变转化为宏观振荡。a）CoMO内置化学-机械耦合机制示意图。b）在60°C等温热源上振荡的CoMO图像。c）CoMO在60°C热源上的时间-弯曲角曲线。d）CoMO表面温度与弯曲角的实时跟踪，显示明显的化学-机械耦合关系。

研究还探索了不同金属离子（如Al³⁺、Zr⁴⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）对振荡行为的影响（图4）。结果显示，只有配位键较弱、动态性高的系统（如Eu、Al、Zr）才能实现持续振荡，而键能较强的Zn与Fe系统则无法自振荡。有限元模拟进一步表明，材料的热膨胀系数对振荡性能的影响远大于模量，强调了提升材料动态性的重要性。

图4： 键合动态性对化学-机械耦合的影响。a-d）分别为Zr、Al、Zn、Fe基Pdimi-PDMS驱动器在60°C热源上的振荡行为图像与时间-弯曲角曲线。e-g）通过有限元模拟揭示主动层模量（E）与热膨胀系数（α）对振荡振幅、频率和输出能量的影响。

CoMO展现出广泛的环境适应性，可在30°C至100°C的温度范围内稳定工作，甚至能利用人体手掌的热量实现振荡（图5）。通过串联多个CoMO单元，研究团队成功放大了振荡幅度，并实现了多自由度运动模式。此外，通过结构设计，CoMO还可实现螺旋式往复运动或驱动齿轮旋转，展示了其在多种工作模式下的通用性。

图5： 化学-机械耦合振荡的环境适应性、通用性与放大效应。a）调控CoMO振荡的主要因素示意图。b）CoMO在不同温度等温表面上的振荡振幅与频率。c）利用体热实现自持续振荡。d）螺旋形CoMO的往复振荡运动。e）CoMO-齿轮系统的正弦扭矩输出。f）通过串联CoMO实现振荡放大的图像及其时间-位移状态。

最终，团队开发出四代自主行走机器人CoMbot（图6）。这些机器人能够在不同表面上利用环境热量实现尺蠖式或章鱼式运动，并在户外花岗岩、窗台、电脑主机、汽车引擎盖等多种真实环境中成功运行，验证了其在实际场景中捕获并利用低密度环境能源的能力。

图6： 化学-机械耦合驱动的环境驱动自主行走CoMbot。a）CoMbot I 的单向尺蠖式行走机制与图像。b）CoMbot II 与 III 的行走示意图与运动图像。c）CoMbot IV（十字形软体机器人）的章鱼式运动机制与图像。d）在模拟等温热源上运动的CoMbot IV。e）在户外利用环境热量自主运动的CoMbot。f）CoMbot在窗台、阳光照射的地面、工作中的电脑和汽车引擎盖上利用环境或废热进行自主运动。

这项研究通过动态配位键实现了从分子转变到宏观运动的高效耦合，为开发能够在自然环境中自主运行、依赖低密度能源的软体机器系统开辟了新路径。未来，通过引入具有不同光学、电学或磁学特性的金属离子，或调整配体结构，可进一步扩展这类材料的应用范围与功能集成度，推动软体机器人向着更高自主性、更强环境适应性的方向发展。