自然界中的軟體生物對(duì)其顏色、對(duì)比度以及形狀有著驚人的自主控制能力。它們通過動(dòng)態(tài)的身體圖案及生物發(fā)光實(shí)現(xiàn)同類之間的信息交流、偽裝、保護(hù)和預(yù)警，以適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境。一個(gè)典型的例子是警報(bào)水母，當(dāng)其感知到海洋獵食者襲擊并受傷時(shí)，會(huì)發(fā)出耀眼的光芒以吸引更大的獵食者來消滅眼前的侵略者。這種兼具有感知、識(shí)別、自適應(yīng)和保護(hù)的水下環(huán)境交互能力有助于探索水下神秘環(huán)境及新物種，從而為水下活動(dòng)的開展提供豐富且必要的信息。

在現(xiàn)有的人工系統(tǒng)中，顏色響應(yīng)的軟致動(dòng)器、電子皮膚和氣動(dòng)/液壓驅(qū)動(dòng)的環(huán)境交互系統(tǒng)（如防偽和視覺通信）等新興的仿生設(shè)計(jì)模仿了類似生物的感覺或運(yùn)動(dòng)行為，旨在豐富某些機(jī)器的功能，如軟體機(jī)器人或假肢。然而，能夠?qū)㈩伾⒏杏X和自主變形特征集成至一個(gè)系統(tǒng)中的軟執(zhí)行器鮮少報(bào)導(dǎo)。特別是當(dāng)它們暴露在惡劣的水下環(huán)境中時(shí)，高壓、水潤(rùn)濕性以及流體波動(dòng)等因素會(huì)嚴(yán)重威脅其導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和可控變形能力。因此，為了實(shí)現(xiàn)水環(huán)境下的綜合功能，需要設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)和新的工作機(jī)制，從而滿足水下環(huán)境探索與交互的需求。

近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和肖鵬研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)，受警報(bào)水母的啟發(fā)，開發(fā)了一種集水下視覺、感知及自主驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下刺激的動(dòng)態(tài)感知與熒光預(yù)警。

當(dāng)警報(bào)水母受到外界刺激時(shí)，它們會(huì)自發(fā)地通過熒光蛋白和鈣離子的結(jié)合發(fā)出明亮的光，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)和水下通信 (圖1a)。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)制備了一種功能和結(jié)構(gòu)集成的熒光皮膚，可以實(shí)現(xiàn)刺激感知、自主水下3D變形和熒光展示（圖1b）。仿生熒光皮膚由碳納米管網(wǎng)絡(luò)與熒光摻雜的硅基彈性體在水/空氣界面非對(duì)稱原位復(fù)合而成，并以懸浮式結(jié)構(gòu)集成至仿生水母機(jī)器人中（圖1c）。在水壓誘導(dǎo)的三維變形下，碳納米管網(wǎng)絡(luò)發(fā)生均勻應(yīng)變，底層的熒光分子暴露。通過應(yīng)變相關(guān)的微裂紋效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電信號(hào)和可逆機(jī)械顯色。此外，設(shè)計(jì)了基于仿生水母機(jī)器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能主動(dòng)感知外部正常甚至危險(xiǎn)的刺激，并通過自主的3D變形和實(shí)時(shí)的熒光預(yù)警實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)與水下通訊，在水下視覺環(huán)境交互系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力（圖1d）。

該工作近期以題為“Jellyfish-Inspired Visual and Sensory Bubbling Robots with Automatic 3D Morphable Films for Underwater Environmental Interaction”的論文發(fā)表在ACS Nano上（ACS Nano, 2024, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06714）。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC2805200）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52373094、52073295）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2023313）、中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目（M-0424）、寧波市重大研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20241ZDYF020148）和寧波國(guó)際合作項(xiàng)目（2023H019）等項(xiàng)目的資助。

圖1 具有水下感知、自主3D形變及熒光預(yù)警的仿生水母機(jī)器人