摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

随着人类对海洋勘探、科学考察和水下工程的需求不断增加，具有高环境适应性和复杂变形能力的水下致动器对推动海洋资源开发具有重要意义，但同时也存在很强的挑战性。具有本征柔软特性的刺激响应致动器可以将不同种类的能量（如水分、光、热等）转换并利用为机械能，在提高能源利用率的同时保留了灵活的柔韧性和多自由度，并实现了运动形式的多样化发展，包括拉伸、滚动、旋转、跳跃等。与空气环境相比，水环境的应用对刺激响应致动器的性能和稳定性提出了更高的要求。为了给刺激响应聚合物的柔性驱动设计、高效可靠制备和水环境应用提供指导，河海大学王延杰教授团队在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为《Stimuli-responsive actuators in water environment: a review and future research agenda》的文章，论文第一作者为河海大学博士研究生赵鑫。该论文综述了刺激响应致动器在刺激响应模式、功能设计策略和先进制造方法等方面的前沿进展，聚焦水环境中的应用需求对比分析了各类型致动器的优势和局限性，探讨了以水生生物为原型的仿生机器人以及刺激响应致动器在水面、水下、跨域等不同环境介质中的典型应用，并提出了未来的发展方向，对柔性水下驱动器与软体机器人领域的发展具有重要意义。

图1 刺激响应致动器的致动模式、功能设计、制造技术以及水环境应用。

2. 图文解析

图2展示了刺激响应聚合物在不同刺激响应模式下的驱动原理，包括电响应、磁响应、光响应、热响应和化学响应。电响应模式又可分为包含电-离子驱动的电场驱动、静电驱动和电热响应。磁响应可以通过永磁体或电磁线圈来实现。光响应模式涉及光诱导分子异构化和光热效应的应用。除了环境加热引起的相变或热膨胀效应外，红外热感应和焦耳热也是另外两种常用的热响应模式。化学响应致动器的宏观变形主要取决于有机溶剂蒸汽或 PH 值变化与材料聚合物链之间的相互作用。目前，电-离子致动器特别适用于潮湿和水下应用，而其它电场驱动的软致动器均面临着防水封装和驱动性能最优化之间的平衡性挑战。磁响应致动器尤其适用于封闭环境和微纳应用，在水下产生和保持稳定可控的磁场是磁响应致动器在深水环境中应用面临的技术挑战。光响应致动器在水面上的应用非常理想，而在深水领域的应用需要解决光束传播受限、光强衰减、水下环境中光源稳定性等问题。直接供能式热响应致动器在水中的热响应滞后和环境温度效应比空气环境中更严重，近年来高响应频率的光热致动器在水环境中的应用逐渐成熟，电热驱动在大水深区域更加精确、可控、操作简单。化学响应致动器适用于特殊的液体环境，能够发挥其化学响应多样性的特点。

图2 刺激响应致动器的驱动原理示意图。

为确保致动器能够在特定刺激条件下实现所需的变形或运动，刺激响应致动器的功能设计是必要的。令人满意的柔性致动器需要满足多项要求，例如弹性、对刺激的响应性、轻量化、耐用性和可定制性，如图3所示。与空气环境相比，具有更高驱动性能和稳定性的刺激响应致动器需要更高水平的制造工艺来适应复杂的水环境。刺激响应致动器的常见制备方法包括成型、激光加工、印刷、纺丝制造、光聚合和自组装，如图4所示。每种类型的致动器都有适合自身驱动特性的制备方法。

图3 刺激响应致动器的功能设计：（a） 弹性机械性能；（b）刺激响应下的可逆分子构象变化；（c） 厘米级到纳米级的轻量化过渡；（d） 宏观结构定制化调节；（e）微观结构定制化调节；（f） 可重构结构设计；（g）多形状编程设计。

图4 刺激响应致动器的制造方法。（a） 模具成型；（b） 激光还原法；（c） 多材料 3D 打印；（d） 4D 打印法；（e） 静电纺丝法；（f） UV 聚合法。

目前，以水生生物的功能优势为学习和参考目标，将智能材料与生物结构设计功能相结合，无限接近海洋生物的无人系统设备已成为新的技术趋势。受海洋生物的形态、游泳机制和运动模式的启发，研究人员将刺激响应材料整合到水下仿生机器人的开发中，如图5所示。尽管机器人的弹性模量与海洋生物相当甚至更高，但缺乏海洋生物独特的复杂控制机制和自主感知驱动能力为实现真正意义的仿生带来了局限性。除了水中仿生机器人外，其他水环境中机器人根据环境介质还可以进一步分为水面机器人（图6）、水下机器人和跨域机器人（图7）。

图5 水环境中的仿生机器人：（a）带有尾致动器的仿生鱼；（b）软电子鱼；（c） 受鱿鱼启发的游泳机器人；（d） 类水母微型游泳机器人；（e） 一体化仿水母机器人；（f）仿黄貂鱼机器人。；（g） 人造章鱼；（h）海星机器人；（i） 仿生海葵致动器；（j）人工细菌鞭毛；（k）仿水黾水上行走机器人；（l）仿生弹涂鱼机器人。

图6 水面机器人。（a）马兰戈尼效应驱动的水面机器人；（b） 自适应振荡水面机器人；（c）水面跳跃机器人；（d） 三足水上行走机器人；（e）划桨和拍打运动。

图7 水下机器人和跨域机器人：（a） 游泳机器人；（b） 水下振荡器；（c）水下行走机器人；（d） 浮潜运动（e）水下抓手；（f）水下货物运输机器人；（g） 具有感知功能的水下机器人；（h）水蜘蛛跨域机器人。

3. 总结与展望

本研究综述了刺激响应聚合物基致动器在水中仿生机器人领域的最新进展，旨在为开发具有类生物灵活性和水环境适应性的水下机器人提供参考。此外，根据刺激响应聚合物在不同环境介质中的运动机理，总结了水面机器人、水下机器人和跨域机器人的典型应用案例，并对其关键技术指标进行了详细梳理。最后，本文讨论了基于刺激响应致动器的水下机器人面临以下挑战：

（1） 智能材料领域的当前挑战包括有限的致动行为和昂贵且复杂的制备方法。因此，迫切需要开发高性能、低成本、易加工、无毒的新型智能材料。

（2） 尽管刺激响应聚合物在水环境中的应用在实验室阶段取得了进展，但在污水、深海甚至极端条件等复杂现实环境中的应用在材料耐久性和机械结构稳定性方面仍需进一步加强。

（3） 在水环境中，单一的刺激反应往往有很多局限性。未来的研究方向之一是探索如何结合多种刺激反应机制，以便在水环境中发挥更多优势。

（4） 当前水环境中的执行器通常需要外部能源供应和手动控制。开发具有感知反馈和自供电能力的新型刺激响应致动器已成为水下设备领域的技术前沿，也是未来需要注重突破和创新的研究方向。

河海大学博士研究生赵鑫为文章第一作者，河海大学王延杰教授为通讯作者，英国斯旺西大学Lijie Li教授为论文的共同作者。该工作得到了国家重点研发计划（2022YFB4703401）、教育部联合基金（8091B032250）等项目的资助。近年来，团队对柔性致动器的机理、制备、性能改进与应用进行了一系列的探索。在致动机理方面，团队解析了枝状界面电极对电-离子致动器的驱动性能增强机制（Smart Mater. Struct. 2023，32，9），利用电极物理喷涂工艺实现了电-离子型致动器的驱动性能优化（Materials & Design 2023, 229, 111882）。在湿度驱动器研究方面，团队提出了一种可编程的湿度驱动器，实现了大变形与快响应速度（Sensors & Actuators: B. Chemical 2023, 393, 134152），并通过结合离子聚合物和羧化碳纳米管开发了高性能的湿度/光双响应驱动器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 10.1021/acsami.4c12202）。