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智能薄膜，不知疲倦地“起舞”
张利东
①无论是天然高分子材料，还是以高分子为基础的合成材料，都是惰性的、无生命的。一旦赋予这些高分子“生命”，它们就可以自发舞动、发电，甚至像劳动者一样工作起来。这就是智能高分子材料——一种能感知外部刺激，作出判断并给予适当处理，且本身可执行的新型功能材料。
②上海华东师范大学张利东研究组，利用常见的琼脂糖高分子为原料，采用简单的物理杂合技术，成功制备出可以在潮湿纸面上快速翻滚的高分子薄膜。
③由于该薄膜化学结构上具有许多亲水基团，因此具有吸收水分子的特性。当该薄膜“吸入”潮湿空气中的水分子，可引发自身的膨胀形变；当薄膜“呼出”水分子，可快速恢复到原来形状。这种“呼吸”循环赋予惰性高分子强劲的“生命”力，可以让它们不知疲倦地动起来。
④这种由化学能转变为机械能的方式，与动物的肌肉组织的工作方式非常相似。此种技术一旦成熟，通过大量类似材料堆叠成的可控“纤维束”，制造出能与机器人相媲美的“仿生人”便不再是神话。
⑤张利东研究组同时发现，智能高分子薄膜不但可以“呼吸”潮湿空气而动起来，也可以“呼吸”丙酮蒸汽让自己动起来。花瓣形状的双层薄膜吸收丙酮分子后，“花瓣”翩翩起舞，犹如一朵在风中摇曳的萝卜花。这是最新设计的聚偏氣乙烯和聚乙烯醇高分子双层膜的仿生形变。
⑥该双层膜对丙酮分子的刺激具有极其敏感的响应性，并且通过快速“呼吸”丙酮蒸气，可实现双层膜的长时间连续性定向形变，让惰性高分子不知疲倦地运动起来，可媲美自然界中复杂的运动方式。
⑦利用此种仿生运动设计的薄膜传感器，可长时间连续监测环境中丙酮浓度。当环境中丙酮浓度过高时，传感器自发形变接通电路，电灯亮；当丙酮浓度逐渐降低时，传感器恢复到原来形状断开电路，电灯灭。利用电灯的变化，可告知环境中丙酮蒸汽浓度的高低，从而极大地拓展了材料的应用潜质。
⑧同时，该双层膜对于外界丙酮蒸汽的刺激能够保持数小时连续可逆的响应，这为拓展刺激响应材料在能源、柔性传感器、人工肌肉、柔性机器人等领域的应用奠定了坚实的基础。
⑨此外，高分子智能薄膜还可以帮助我们获取人类赖以生存的能量。这种能量的获取途径将是完全绿色无污染的，能量源自取之不尽的潮湿空气。
⑩利用一块只有10毫克的智能薄膜，通过“呼吸”潮湿空气可以驱动压电薄膜连续产生高达1.5伏的电压。通过特殊的能量转化装置，这种智能薄膜可以为各种便携式电子产品供电。如果扩大智能薄膜的用量，将产生更高的电压，满足各种需求。目前研究者正积极开发合适的能量转化装置，以实现大功率、高效率的能量转化。
⑪智能薄膜不但能发电，也会工作。利用智能薄膜设计的柔性机器人，通过“呼吸”潮湿空气可以模拟起重机、抓土机等，自发吊起或抓起需转移的货物，可实现复杂环境下的危险作业。设计的柔性汽车，可快速跑起来，而动力的来源仅仅是潮湿的空气。
⑫未来，一方面可将此薄膜设计成仅对丙酮分子刺激敏感的传感器，用于化工企业中实时监测环境中丙酮浓度，及时预防丙酮对工作人员的伤害；另一方面，可以把这种薄膜结合能量采集、人工肌肉、柔性机器人等领城的实际需求，个性化设计适用于不同领域的具体产品。
⑬以能量采集为例，如果利用智能薄膜持久运动的特性来发电，可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用，而目前穿戴式、植入式行业已拥有超千亿市场规模。
⑭我们期待智能薄膜产业应用的那一天早点到来，我们相信那将势必掀起人类文明的又一次技术革命。
