塑料，是我們?nèi)粘Ｉ钪袑こ？梢娭铮缃瘢芰衔廴疽殉扇祟惔髷?，形成了所謂的“白色污染”。實(shí)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(xué)家相繼在多個(gè)海域的水體和沉積物中發(fā)現(xiàn)微塑料，人們意識(shí)到了微塑料污染已經(jīng)成為了一個(gè)全球性的環(huán)境問題。海洋中的微塑料是一種新型的污染物，顆粒小、數(shù)量多、分布廣且易于被海洋魚、貝類等生物體攝食并富集，進(jìn)一步隨著食物鏈的傳遞，會(huì)對(duì)海洋生物的生存以及人類健康造成嚴(yán)重威脅。
近日，四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張新星教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種集成化的軟體機(jī)器人——由光驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚，它能快速“游動(dòng)”，撿起并清除微塑料。這種機(jī)器魚打破了軟體機(jī)器人功能執(zhí)行和快速運(yùn)動(dòng)的相互排斥性，實(shí)現(xiàn)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(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《納米快報(bào)》上。
軟體機(jī)器人材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。受訪者供圖
清除微塑料 軟體機(jī)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(huán)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(huán)境中去除。針對(duì)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(jìn)的軟體機(jī)器人來清除這些污染物。
“軟體機(jī)器人在復(fù)雜的水域環(huán)境中作業(yè)，需要具備較高的適應(yīng)性和環(huán)境耐受性等條件，在含鹽量不同或者酸堿環(huán)境不同的水域中都能適應(yīng)自如?！闭撐牡谝蛔髡?、四川大學(xué)高分子研究所博士生王宇嫣說，在水域條件下工作，軟體機(jī)器人不可避免會(huì)遭受水流的沖刷，這要求機(jī)器人材料必須滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度，若機(jī)器人材料在水中遭受破壞或者碎裂，又會(huì)產(chǎn)生新的微塑料。
實(shí)際上，現(xiàn)有的水生軟體機(jī)器人通常都由水凝膠及硅橡膠制成，由于其結(jié)構(gòu)、含水量、介質(zhì)組成等固有條件，因此機(jī)械性能差，并且容易損壞。
目前，許多研究者在機(jī)器人的各種驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)速度方面取得了重大突破，比如引入機(jī)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(huì)增加機(jī)器人的重量，不利于機(jī)器人快速穩(wěn)定運(yùn)行。此外，現(xiàn)有的水生軟體機(jī)器人多為電機(jī)或燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，難以滿足環(huán)境友好和可持續(xù)驅(qū)動(dòng)的需求。
“考慮到操作條件和經(jīng)濟(jì)成本，軟體機(jī)器人的發(fā)展必然會(huì)朝著集成化、輕量化和智能化的方向前進(jìn)?！蓖跤铈陶f，一些研究通過引入功能填料實(shí)現(xiàn)了功能集成，但由于納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺乏，使得制備的材料只能進(jìn)行簡(jiǎn)單緩慢的彎曲或伸縮。
另一方面，由于實(shí)現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料柔性下降，在動(dòng)態(tài)受力下容易開裂破損?！八裕绾纹胶獠牧系墓δ芘c力學(xué)性能也成為了一個(gè)挑戰(zhàn)?！彼f。
仿照天然材料 克服功能執(zhí)行與快速運(yùn)動(dòng)的矛盾
基于此，四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)際重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張新星教授團(tuán)隊(duì)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(fā)，仿制出了一種類似的梯度結(jié)構(gòu)，為軟體機(jī)器人創(chuàng)造出一種耐用可彎曲，并且可自動(dòng)愈合的材料。
“我們發(fā)現(xiàn)，自然界中的珍珠層在無機(jī)物含量達(dá)到90%以上程度的時(shí)候依然能夠同時(shí)保持強(qiáng)度和韌性?！睋?jù)王宇嫣介紹，團(tuán)隊(duì)仿照珍珠層的微觀梯度結(jié)構(gòu)，將環(huán)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(chuàng)造了有序的濃度梯度的納米復(fù)合材料?！斑@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(jiǎn)單，有利于大規(guī)模制備?！?/span>
通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)用這種新材料制成了一個(gè)15毫米（約半英寸）長(zhǎng)的微型機(jī)器魚，使其既能快速游動(dòng)又能吸附微塑料，打破了軟機(jī)器人功能執(zhí)行與快速驅(qū)動(dòng)的互斥性。
長(zhǎng)期的可靠性是軟體機(jī)器人在復(fù)雜條件下實(shí)際應(yīng)用的先決條件。在實(shí)際操作中，材料的斷裂極易引發(fā)重大的安全事故，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果材料可以像人體一樣能感知斷裂，并能夠及時(shí)進(jìn)行阻止，進(jìn)行“自我療愈”，就能大大延長(zhǎng)材料的服役壽命。
“我們?cè)谔荻冉M裝的同時(shí)，創(chuàng)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(tǒng)的均勻分散的材料結(jié)構(gòu)，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?！蓖跤铈探忉屨f，這樣一來，高分子鏈和填料界面上的可逆動(dòng)態(tài)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(xué)強(qiáng)度增大。界面動(dòng)態(tài)氫鍵的斷裂和重組在分子尺度上能量耗散，賦予了復(fù)合材料自動(dòng)愈合的能力，也增強(qiáng)了拉伸能力。
為塑料危機(jī)帶來曙光 新材料應(yīng)用場(chǎng)景豐富
如今，在自然光等清潔能源的驅(qū)動(dòng)下，這種新的梯度結(jié)構(gòu)還使得“魚身”膨脹不均勻，以此推動(dòng)前進(jìn)，機(jī)器魚得以在水面暢快游行，并且能吸附微塑料，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境的凈化。
據(jù)了解，這種機(jī)器魚可以每秒移動(dòng)2.67個(gè)身長(zhǎng)——這一速度比之前報(bào)道的其他軟游泳機(jī)器人速度更快，與活躍的浮游生物在水中移動(dòng)的速度大致相同。
王宇嫣表示，當(dāng)前開發(fā)出的軟機(jī)器人僅集成了水面微塑料定向收集功能，研究團(tuán)隊(duì)正嘗試引入熒光發(fā)光基團(tuán)，通過熒光基團(tuán)對(duì)不同污染物的熒光響應(yīng)性，進(jìn)一步開發(fā)能夠在水下在線檢測(cè)微塑料污染物的新材料。
“我們還會(huì)持續(xù)跟進(jìn)微塑料污染防控相關(guān)工作，針對(duì)微塑料環(huán)境污染及其風(fēng)險(xiǎn)防控難題，闡明多環(huán)境因素耦合作用下典型塑料制品的微塑料產(chǎn)生機(jī)制，揭示多介質(zhì)復(fù)雜環(huán)境中微塑料的遷移傳輸機(jī)理與毒理效應(yīng)，為微塑料環(huán)境基準(zhǔn)建立提供科學(xué)依據(jù)?！蓖跤铈陶f，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(jìn)而對(duì)塑料制品的加工和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從源頭減少或者阻斷微塑料的產(chǎn)生。
當(dāng)然，采集微塑料的功能只是其中的一種概念驗(yàn)證。張新星教授認(rèn)為，隨著研究深入，這種可愈合的新興材料還將指導(dǎo)開發(fā)其他的功能，在太陽(yáng)能發(fā)電、化學(xué)反應(yīng)催化、生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。
