Advanced Functional Materials | 仿含羞草高灵敏、多重响应淀粉基智能驱动器

7月7日，中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员团队在国际期刊Advanced Functional Materials发表了题为“Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators”的研究论文，报道了一种仿含羞草高灵敏、多重响应的淀粉基驱动器，及其在环境感知反馈、智能灯罩及智能食品等方面的应用。中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员为通讯作者，前研究助理胡豪为作者；中国科学院深圳先进技术研究院材料界面研究中心喻学锋研究员和Massimiliano Galluzzi副研究员为共同作者。

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仿生智能驱动器因能模仿自然界生物在外界刺激下改变形态、颜色和运动行为，故在软体机器人、人机界面和生物医学器件等新兴领域展现了巨大应用潜力。近年来，尽管基于合成聚合物的智能驱动器取得了广泛进展，但它们在可再生、可持续和生物安全性方面仍面临挑战；虽然基于天然聚合物的驱动器与自然生物系统的组织成分更为接近，但这类聚合物中大量存在的氢键作用导致其驱动行为较为单一。作为一类典型的天然聚合物，淀粉因可再生、生物相容好且可降解，故在生物医学、食品等领域有广阔应用前景，且其分子链中存在的大量强氢键使其具备独特的糊化特性，但与此同时，也限制了其驱动行为；虽通过化学改性或者引入合成聚合物等方式调控氢键可赋予其优异的驱动特性，但这不可避免地影响淀粉再生特性和生物安全性等优异性能。 

针对该挑战，杜学敏研究员团队利用淀粉丰富的氢键和独特的糊化特征，提出了新的氢键介导策略并成功构建仿含羞草的高灵敏、多重响应淀粉基智能驱动器。该淀粉基智能驱动器主要由三种组分构成：具有热糊化特性的天然淀粉（Starch），源于海洋褐藻的海藻酸钠（Sodium alginate），和拥有优异光热效应的液态金属颗粒(LMPs）。基于上述一类组分成功构建出两种不同类型的智能驱动器：未糊化淀粉基驱动器和糊化淀粉基驱动器（图1-2）。未糊化淀粉基驱动器通过光热触发局部糊化——淀粉颗粒分子间氢键不可逆“解锁”，进而实现未糊化淀粉基驱动器各种复杂形态的不可逆光控编辑；糊化淀粉基驱动器在低湿（~10.2 %）、近人体体温（~ 37 ℃）或低强度光照（0.42 W cm^-2）下触发淀粉分子间氢键可逆“解锁”， 即可成功实现糊化淀粉基驱动器的高灵敏、多重驱动功能。这类基于天然高分子材料的智能驱动器在智能传感如人工含羞草、智能灯罩及智能食品等领域有广阔应用前景。 

该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省区域联合基金重点项目、深圳市杰青等科技项目资助。

含羞草与人工含羞草刺激响应