跳跃是自然界生物的一种非常有效的运动手段，可以在瞬间穿越中长距离，以实现捕猎及逃避被猎捕的目的。自然界生物跳跃的机理主要有两种，长腿动物
(
比如袋鼠和青蛙
)
主要依靠杠杆作用，使它们能够用较少的力量跳跃同样的距离；一些短腿或无腿动物
(
比如果蝇幼虫和跳蚤
)
依靠快速弹射动作释放储存的能量来实现跳跃；还有一些昆虫
(
比如蚱蜢和沫蝉
)
同时利用这两种设计理念
(
图
1)
。其中，磕头虫是一种有趣的昆虫，当被人类捉住时，它们会不断地用力向前倾斜头部，仿佛在进行一场无声的“磕头”仪式恳求释放。原来磕头虫的前胸背板具有非凡的灵活性。在其前胸腹板的中央稍后部位，有一个尖锐的刺状结构。每当它的头部与胸部向腹部弯曲时，这个突出的部分就会巧妙地嵌入到胸腹前缘的沟槽中。当它再次挺胸时，突出体从沟槽中弹射出来，撞击地面，产生的后冲力足以使其弹跳起来挣脱。由此可见，磕头虫那看似虔诚的“磕头”行为，并非出于对人类的求饶，而是一种本能的自我防卫机制，用以摆脱束缚。如视频
1
所示当将它肚皮朝上放在地面，他会来一个鲤鱼打挺弹射出去，挣脱
捕食者。
受
这些
自然界跳跃机制的启发，科学家们利用
新型
材料和复杂的结构设计，模仿生物系统中的快速能量存储和释放过程，制造出了多种创新的跳跃机器人。
其中，
光响应
驱动
器具有成本效益高、无线
驱动
能力强和响应速度快等优
点而受到广泛关注
。偶氮苯液晶
(
LCs
)
因其偶氮苯介质的反
-
顺式光异构化而成为一种有前途的光响应材料。基于偶氮苯的致动器已从基本的弯曲、扭转运动发展到在微型机器人和液体运输中的新型应用。但是，基于偶氮苯的光致动器的高效跳跃行为仍相对缺乏探索。
中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员团队在前期的工作中，通过设计制备一面为光响应偶氮苯均质膜，一面为偶氮苯反蛋白石的具有
Janus
结构的光响应驱动材料，实现了在液相中的光驱动性能研究；利用光化学
/
光热模式的协同驱动产生多个驱动方向，具有更大的驱动力
(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2105728; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 12383-12392; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 1727-1739)
近日，该研究团队
受
具有特殊卡扣结构的磕头虫启发，他弯曲身体积蓄弹性势能，然后身体猛然伸直释放能量实现瞬时跳跃的启发
，
设计了类磕头虫卡扣结构的光跳跃材料
：通过选用具有热弛豫时间短的偶氮苯分子，制备具有展曲
(splay)
取向的
偶氮苯
膜材料，
开发了一种
Janus
光驱动跳跃软机器人
，
在紫外线照射下，它能在
66.8
ms
内完成一次完整
的跳跃，其跳跃
高度可达
35
个体长
(
BL
)
，起飞速度为
670 BL/s
。
所
制备的
Azo-LCN
薄膜应力为
36.27
兆帕，应变为
6.5%
，可循环使用
50
次以上。这项研究将有助于设计新型致动器和拓宽偶氮苯致动器的应用领域，可能为探索、搜索和救援等新应
用提供思路。所采用
的偶氮苯分子
(
命名为
Azo-A
)
具有较短的热弛豫时间
(
其在
90 ℃
时的半衰期小于
1
s)
，能够在光的作用下快速弯曲和恢复，
从而能产生
快速自主恢复的连续跳跃行为
(
视频
2)
。样品的
splay
取向是将样品
的一侧分子采取平
行
取向
(
PA
)
而
另一侧分子采取垂
直
取向
(
VA
)
的模式
，从
而使样品在光刺激下产
生向
PA
侧的净弯曲变形。
2024
年
11
月
27
日，相关研究结果
“
Click-Beetles-inspired Light-driven Continuous Jumping Robots Based on Janus Azobenzene Polymer Films
”
为题发表在
Advanced Functional Materials
上。
该文章通讯作者为
王京霞
研究员。中国科学院理化所博士生
况真欣
为文章第一作者，中国科学院理化所江雷院士为本研究提供了专业指导和帮助。
图
1.
自然界中跳跃的动物。
(a)
袋鼠，
(b)
青蛙，
(c)
果蝇幼虫，
(d)
跳蚤，
(e)
蚱蜢，
(f)
沫蝉。
(
视频来自：
https://www.douyin.com/video/7427340415600217355)
图
2. (a)
如图
1a
所示，带有
PA
(i)
或
VA(ii)
的
液晶聚合物网络
(
LCN)
在热刺激下会发生收缩或膨胀变形。制备的样品具有展曲取向
(iii)
，材料的一侧为
PA
，另一侧为
VA
。
(b) RM23
、
RM82
和
Azo-A
的分子结构。
(c)
磕头虫的跳跃过程和相应的
Azo-LCN
薄膜的跳跃示意图。
i)
初始状态
(
薄膜向
VA
侧微微弯曲
)
；
ii)
骨骼肌缓慢地将弹性能量储存在身体和胸腔铰链中，使身体处于弯曲位置
(
“
锁定
”
位置
)(
内部微变形导致的向
PA
侧的宏观变形优先使薄膜摆脱初始形状，变得平整。
)
；
iii)
当触发时，闩锁被松开，甲虫的身体迅速展开
(
持续的紫外线刺激照射使薄膜向
PA
侧的变形突破初始状态，累积的变形被均匀释放，向
PA
侧产生较大的弯曲变形，此时产生的力与桌面相互作用，使其跳起
)
。
(d) Azo-LCN
完整跳跃
/
下落过程的详细照片和示意图
(
含曲率变化
)
，薄膜在紫外线照射后
66.8 ms
内跳起
27 mm
高。
图
3.
(
a)
薄膜的扫描电子显微镜图像，表面顶部扫描电子显微镜
(
左
)
显示其表面光滑无裂纹，截面扫描电子显微镜
(
右
)
显示其厚度为
30
μm
。
(b)
薄膜的
TEM
图像，聚合物的
PA
面
(
左
)
与
VA
面
(
右
)
相比，显示出明显的取向。薄膜
PA
面
(c)
的原子力显微镜图像显示了取向方向，薄膜
VA
面
(d)
没有明显的取向迹象。
(e)
薄膜
PA
的
POM
结果，
0°
和
45°
观察结果显示出明显的明暗变化，表明取向情况良好。
(f)
锥光模式下的
POM
图像，显示出代表垂直取向的马耳他十字图像。
图
4. (a, b)
紫外光从
VA(a)
或
PA(b)
侧射入时样品驱动的示意图和照片，均是薄膜向
PA
侧弯曲
90°
。光线熄灭后，样品恢复到初始状态。
(c)
薄膜光驱动前后结果示意图
(
带曲率
)
。插图是巴掌手镯在受刺激变形前后曲率变化的照片。
(d)
薄膜驱动器弯曲角度随时间变化的数据，显示薄膜在光照射
3
秒内发生了
90°
的弯曲变形。关灯后，薄膜的弯曲变形在
1
秒内恢复。
(e)
薄膜驱动器的弯曲角度随光照强度变化的示意图，图中显示，在光照强度较低时，仅会产生较小的变形，而当光照强度大于
1.75
W/cm
2
时，则会产生快速、巨大和强烈的变形。当功率密度超过
1.85
W/cm
2
时，光源会过热并损坏薄膜，但薄膜仍能正常工作。
(f)
薄膜致动器的循环测试结果，可反复循环
100
次而不会产生疲劳。
图
5. (a)
膜跳
/
落全过程的实际过程。
(b)
膜跳跃完整过程示意图。
(c)
膜跳跃过程中高度和速度的变化，最大起飞速度可达
670
毫米
/
秒
(670 BL/
秒
)
，最大跳膜高度为
23.1
毫米
(23.1 BL)
。
(d)
跳跃高度随光照强度的变化表明，跳跃高度与光照强度成正比，但光照强度超过
1.85
W/cm
2
的过热光源会损坏膜，但此时膜仍能跳跃。
(e)
实时三维薄膜致动变形监测，颜色和数据说明了
z
轴上的形状变量，过程可分为三个阶段。从过程
1
的颜色和数据可以看出薄膜向
VA
侧变形并绕
x
轴弯曲时的初始形状，展示了用于储能的结构变形。过程
2
的颜色和数据显示，薄膜在紫外线照射下开始向
PA
侧弯曲变形，这涉及到能量存储，导致应力变化。过程
3
的颜色和数据显示，在紫外线的持续照射下，薄膜开始向
PA
侧变形，并绕
y
轴弯曲。其原因是薄膜中储存的能量超过临界值后突然释放，导致薄膜弹向空中。
(f)
通过观察薄膜的行为分析跳跃原理。紫外线提供能量，能量储存在
Azo-LCN
带中。当点光源照射薄膜时，会产生向下的膨胀力。由于初始形态的原因，薄膜有一个变形能量阈值。当储存的能量达到阈值时，会突然释放，产生一个快速向上的合力，导致薄膜跳跃。
图
6. (a)
在紫外线
(1.75 W/cm
2
)
的刺激下，条带机器人可以通过跳跃跳
上
20
mm
高的楼梯，高速摄像机对此进行了记录。
(b)
在高速摄像机的记录下，该条纹机器人可以模拟
投石器
，并成功投掷出一个小物体。
(c)
本文使用的
薄膜
跳跃高度和跳跃速度与文献比较，本研究提出的机器人可跳跃至
35 BL
的高度，跳跃速度可达
0.67 m/s
。
研究得到了国家自然科学基金项目
(
项目编号：
52373001, 51873221, 52073292, 51673207, 51373183, 21988102
, 22205246
)
及中荷国际合作项目
(1A111KYSB20190072)
，陕西省化学与生物学基础科学研究项目
(23JHQ079)
，西安理工大学科研基金
(109-451023008)
等的资助支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202421111
