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发布日期:2022年05月31日
“塑料片”遇热遇光能“跑”会“跳”,或将发展成人工智能材料
西北工业大学刺激响应聚合物研究成果应用广泛

葛飞杰(左二)和团队成员在实验室。

本报记者 吕扬文/图

当你看到桌子上有一个东西在蠕动、爬行的时候,它很可能不是虫子,而是一块“塑料片”。

5月21日,在西北工业大学化学与化工学院葛飞杰教授的实验室里,他和团队成员展示了这种有趣的材料——刺激响应聚合物。

只见在75摄氏度加热板上,一小块“塑料片”仿佛有了生命,开始蠕动前行。在另一个实验中,激光直射下,一条“仿生虫”左右扭动,像是在躲避外界刺激。

“刺激响应聚合物是一种智能高分子,它们在受到温度、光、超声波、电场、磁场、水蒸气或化学气体等刺激后会产生特定响应,可表现为发光、变色、变形、运动等。”葛飞杰解释说,这块“塑料片”就表现出在恒温热表面实现自行走的响应,这条“仿生虫”在激光恒定照射下实现仿生自维持变形。

这是葛飞杰研究成果的一部分。他正通过研究刺激响应聚合物对光照、温度等外界环境变化做出反馈性响应,进而发生物理、化学性质明显改变的特点,尝试制备出更多根据不同条件产生响应,或响应后发生更为丰富的性能变化的材料。

2021年,葛飞杰加盟西北工业大学化学与化工学院特种功能与智能高分子工信部重点实验室。他的主要研究方向为高分子的功能与智能化,现已开发出一系列光响应与热响应智能聚合物致动器,实现了光控可逆可调节驱动,自维持运动以及多功能仿生变形,推动了软体机器领域的发展。这些研究成果已在国内外众多知名期刊上发表。

葛飞杰在读博士期间和自己的导师还有一项重要成果:提出了“热—机械—热”反馈回路。刺激响应聚合物在恒温表面上进行的自维持运动能够带动小齿轮自主旋转,实现热能和机械能的相互转化。这种反馈回路适用于许多热致相转变高分子材料,可为多领域借助各类大分子材料实现能量转化提供新思路。

“科研的魅力,有一部分在于它的不确定性。即使结果与预期不符,也可能会收获意外之喜。”葛飞杰说。

刺激响应聚合物到底有什么用处呢?葛飞杰说,它的应用极为广泛。

在航天领域,可以作为卫星太阳能电池板的展开结构件。为了减少占用空间,卫星在成功进入预定轨道之前,太阳能电池板都处于折叠状态。那么,如何在地面远程将电池板展开?“刺激响应聚合物作为太阳能电池板的展开结构件,一旦被加热就会自动打开。因此,我们只需要发出信号,控制卫星提供电加热,刺激响应聚合物就能带动整个太阳能电池板展开,顺利地‘沐浴’阳光了。”葛飞杰说。

在医学上,刺激响应聚合物做药物释放的载体也大有可为。医学治疗过程中,如果需要将药物释放在身体特定部位,刺激响应聚合物也能助一臂之力。它可以包裹药物一同进入人体,由于其对能够穿透皮肤的红外线、超声波等有所响应,因此只要对准病灶发射红外线等信号,刺激响应聚合物即可变形张开,药物就被顺利地释放在目标位置了。葛飞杰说:“这一应用未来或将为肿瘤的药物治疗提供新思路,可减少对人体其他健康组织的伤害。”

葛飞杰进一步解释说,刺激响应聚合物等智能材料响应外界环境所产生的形变可驱动自身进行运动,而软体机器则是其重要的应用领域。软体机器的模型大多来自于自然界的软体生物,它们通过仿生设计,能够实现爬行、翻滚、跳跃等运动模式。

“刺激响应聚合物等智能高分子正向着多功能化、高智能化方向不断迈进。”葛飞杰说,未来智能高分子或许将发展成新型人工智能材料,它们无须芯片作为“大脑”,科学家只要巧妙应用其基本物理、化学特性,就能使它们感知环境变化,并根据收集到的环境信息来决定执行怎样的任务、做出怎样的行为,甚至做到自主决策。

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