“飘似羽，逸如纱，秋来飞絮赴天涯。”蒲公英种子不会选择自己在哪里生长，一切顺风而动、顺其自然，落在哪里就在哪里安营扎寨、奋力生长，表达出一种随遇而安的人生态度。蒲公英种子是自然界中飞行能力最强的种子之一，蒲公英种子顶部有白色冠毛结成的绒球，花开后随风飘到新的地方孕育新生命。蒲公英会利用冠毛（小绒球）来帮助种子飞行扩散，冠毛能够有效延缓种子的降落时间，影响种子降落的方向，使种子飞行的距离长达千里之外。2018年来自英国爱丁堡大学的研究人员首次揭示了蒲公英种子的飞行机制（Nature 2018，562，414-418）。蒲公英种子飞行过程中，正上方的空气会形成了“分离的涡环（Separated Vortex Ring）”，这种漩涡效应能够赋予种子向上的力，从而实现在空中飘浮。蒲公英种子能够借助风的力量随风到处飘荡，传播到遥远的地方，种子落地后，只要环境适合就可以生根。受蒲公英种子飞行机制的启发，美国华盛顿大学研究人员开发出一款无需电池的微型环境传感器，借助风力可以在广阔的区域内轻松覆盖数千个传感器，用于实现不同环境条件下温度、湿度、气体、降雨量、光照或其它环境因素等的检测（Nature 2022，603, 427）。然而，目前报道的仿生蒲公英软体微型飞行器形态大多是固定不变的，需要依靠自然风进行飞行，存在飞行随机性高和可控性不足等诸多问题。
近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授、王玲教授团队仿生自然界蒲公英的飞行原理，设计和开发了一种光驱动蒲公英微型飞行器，通过对材料结构编程实现了微型飞行器的飞行模式精确控制（图1）。论文成果以题为“Light-Driven Dandelion-Inspired Microfliers”发表在国际权威材料期刊《自然·通讯》上（Nature Communications, 2023, 14, 3036）。天津大学材料学院博士生陈原浩为论文第一作者，天津大学王玲教授和封伟教授为论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和天津市杰出青年科学基金等项目的资助。
图1 仿生光驱动蒲公英微型飞行器的设计理念
内容简介
作者首先设计和制备了一种超轻、超灵敏响应、可任意剪裁的光驱动柔性薄膜，这种薄膜同时具有优异的温度和光响应特性，甚至能够对人体体温和太阳光等灵敏响应。值得一提的是，通过控制不同的剪裁方向，可实现对柔性薄膜变形性能的可控编程（图2）。受到自然界蒲公英种子的启发，作者通过剪裁柔性驱动薄膜，并在顶部负载40余根超轻纤毛，制备成具有三维对称结构的仿生蒲公英微型飞行器。在光照作用下，微型飞行器的纤毛能够从闭合状态转变成张开状态，可以大幅降低微型飞行器降落速度（图3）。例如，在无光照条件下，微型飞行器纤毛处于闭合状态，其降落速度为～1.25 m/s；在光照条件下，微型飞行器纤毛处于张开状态，其降落速度仅为～0.57 m/s。值得注意的是，作者可以通过调控光照强度控制纤毛张开角度，实现了对微型飞行器降落速度的精确调控；作者还研究了载荷大小对微型飞行器降落速度的影响规律。
图2超轻超灵敏柔性驱动薄膜的制备与性能
柔性驱动薄膜的实时快速体温响应
图3仿生蒲公英微型飞行器的光控降落
作者进一步精心设计了一套蒲公英微型飞行器的光驱动飞行装置，当用镊子将蒲公英微型飞行器置于驱动装置正上方并打开光源时，具有三维对称结构的蒲公英微型飞行器能够即可由闭合状态转变为张开状态，此时释放蒲公英微型飞行器，飞行器能够沿着光照方向螺旋向上飞行。为了研究蒲公英微型飞行器的飞行机理，作者开展了粒子成像测速（PIV）流场测试实验，不同于传统的热线、探针、雷达等测速方法，PIV能够在不扰乱流场的情况下（非介入），迅速地捕捉到整个流场速度信息，为复杂流场的研究提供了更直接有效的方法。PIV实验中，作者发现驱动装置中空气气流能够在光照作用下产生定向流动，气流的流动速度与光照强度等密切相关。值得一提的是，像自然界的蒲公英种子飞行一样，蒲公英微型飞行器正上方的空气会也能够形成“分离的涡环（Separated Vortex Ring）”，从而为微型飞行器的光驱动飞行提供了稳定的上升力。作者进一步研究发现，涡环气流与蒲公英微型飞行器张开的角度成正相关，因此，通过调节光照强度能够精确控制涡环气流的大小，从而获得不同的上升力。通过调控光照强度和释放高度，蒲公英微型飞行器在光驱动下最大的飞行高度和最长的飞行时间分别可达~350 mm和~8.9 s（图4）。
图4仿生蒲公英微型飞行器的光驱动飞行
仿生蒲公英微型飞行器的光驱动飞行
实验过程中，作者意外发现蒲公英微型飞行器在光驱动飞行过程中总是伴随着旋转运动，旋转方向可以是顺时针方向或者逆时针方向。作者经过3年多实验研究，制备了1000余个蒲公英微型飞行器，并开展了上千次的光驱动飞行实验，对实验结果进行统计分析后，发现蒲公英微型飞行器在光驱动飞行过程中出现顺时针旋转或逆时针旋转的概率均为50%。作者系统研究发现，在人工制备蒲公英微型飞行器时，柔性驱动薄膜裁剪过程中很难达到完美的剪裁角度，常常会出现微小的角度偏差，剪裁后的柔性驱动薄膜在光驱动过程中出现向左或向右扭曲变形，导致所制备的蒲公英微型飞行器在光驱动飞行过程中会产生一个沿水平方向的扭矩，从而产生顺时针或逆时针的旋转运动。为了验证这一假设，作者精心地设计和制备了具有不同光驱动扭曲变形特性的蒲公英微型飞行器，通过材料结构编程实现了光驱动蒲公英微型飞行器的飞行模式精确控制，即蒲公英微型飞行器的光驱动顺时针旋转和逆时针旋转飞行（图5）。
图5仿生蒲公英微型飞行器的飞行姿态控制
仿生蒲公英微型飞行器的顺时针旋转和逆时针旋转飞行
总结展望
本论文设计和制备了一直超轻、超灵敏响应、可任意剪裁的光驱动柔性薄膜，作者通过控制不同的剪裁方向，可实现对柔性薄膜变形性能的可控编程。受到自然界蒲公英种子的启发，作者进一步开发了具有三维对称结构的仿生蒲公英光驱动微型飞行器，研究了蒲公英微型飞行器的光控降落和光驱动飞行性能。作者通过PIV流场测试实验揭示了相关飞行机制，像自然界蒲公英种子飞行一样，蒲公英微型飞行器正上方的空气会形成了“分离的涡环（Separated Vortex Ring）”，这种漩涡效应能够赋予种子向上的力，从而实现在空中飘浮和飞行能力。值得一提的是，作者在实验过程中意外发现了蒲公英微型飞行器的螺旋上升飞行运动模式，并通过材料结构编程实现了光驱动蒲公英微型飞行器的飞行模式精确控制，即蒲公英微型飞行器能够在光驱动作用下按需顺时针旋转和逆时针旋转飞行。本研究为开发新型微型飞行器提供全新思路，微型飞行器具有体积小和重量轻等优势，未来可以用于实现单个作业或者集群协同作业。发展太阳光驱动微型飞行器有望在远程监控、环境监测和军事侦察等民用和军事领域具有极其重要的战略意义和应用价值。
通讯作者简介
王玲，天津大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家级优秀青年人才，天津市杰出青年基金获得者。主要致力于软物质智能材料、仿生智能材料和功能纳米材料的设计与制备及其在软体机器人、智能隐身、能源和安全等领域的应用研究（www.wanglinglab.com）。
封伟，天津大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。
文章信息：
Yuanhao Chen, Cristian Valenzuela, Xuan Zhang, Xiao Yang, Ling Wang*, Wei Feng*. Light-driven dandelion-inspired microfliers. Nature Communications, 2023,14, 3036.
全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38792-z
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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