研究背景

自然界中的结构色无需色素，通过纳米结构操控光线即可呈现丰富颜色，具有独特的光学特性。传统结构色常存在角度依赖性，但近年来研究者努力开发无角度依赖的结构色，以拓宽其应用领域，MXene材料可作为实现无角度依赖结构色的解决方案之一。MXene是二维过渡金属化合物，具有机械强度高、高导电性和生物相容性，是开发柔性机器人的理想材料。仿生MXene柔性驱动器有望用于先进柔性机器人系统开发，从而实现模仿自然生物的能力。其具备全方位自定向、传感、追踪和光交互能力，灵活且响应迅速。结合无角度依赖结构色的MXene材料具有广阔的发展空间，但仍需进一步研究解决关键问题，以推动柔性机器人技术发展。

MXenes for Bioinspired Soft Actuators: Advancements in Angle-Independent Structural Colors and Beyond 

Siavash Iravani *, Rajender S. Varma * 

Nano-Micro Letters (2024)16:142

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01367-8

本文亮点

1. 具有无角度依赖结构色的MXene柔性驱动器，有望应用于显示技术、伪装系统、传感器等多个领域。

2. 仿生学研究为结构色柔性驱动器在仿生柔性机器人的应用奠定了基础。

3. 展望了具有无角度依赖结构色的仿生MXene柔性驱动器在柔性机器人中的发展潜力。

内容简介

近年来，柔性驱动器在机器人、生物医学和仿生系统等领域受到了广泛关注。它们能够模拟生物的运动，展现灵活性和适应性。同时，研究者们成功实现了无角度依赖结构色，即无论观察角度如何，材料都能呈现一致的颜色。MXene因其卓越的机械、电学和光学性能，有望广泛应用于柔性驱动器领域。将MXene无角度依赖结构色相结合，有利于设计新型仿生柔性驱动器。然而，要进一步发展这些技术，还需解决材料兼容性、颜色可重复性、放大制备、稳定性、能量效率和成本效益等问题。美国环境保护署Rajender S. Varma等探讨了具有无角度依赖结构色的MXene仿生柔性驱动器在柔性机器人领域的发展前景。

图文导读

I 具有无角度依赖结构色的仿生材料

自然生物的结构色启发了科学家研发相关新材料，结构色具有无角度依赖性、颜色一致性和抗褪色优势。纳米结构在仿生材料中起关键作用，通过调控其大小和间距可实现颜色变化。这些材料在消费品、能源设备和智能传感器等领域有巨大潜力。然而，构建精细纳米结构、实现低成本生产和确保材料的稳定性仍面临挑战。尽管存在局限，但无角度依赖结构色的仿生材料仍有巨大的发展前景，有望用于节能、伪装等领域。

II 最新进展

智能柔性驱动器具备闭环控制、自适应等特点，在能源、货物运输、医疗等领域具有广泛应用前景。它们能够识别不同物体，进行环境交互，并监测物体运动，为康复设备、机器人等领域提供关键技术支持。研究人员正致力于推进人工结构色柔性驱动器的发展，旨在模仿生物的颜色以及随外界扰动形变的功能。根据仿生研究，已开发出湿度驱动和蒸汽驱动的驱动器机制。与依赖颜料/染料的化学着色柔性驱动器相比，结合光子晶体结构色的柔性驱动器具有颜色动态可调且不易褪色的特点。然而，目前报道的结构色柔性驱动器的一个局限在于其颜色依赖于观察角度和光照强度。无角度依赖结构色柔性驱动器在工业应用中能够产生巨大价值，MXene柔性驱动器是其中一个重要的研究方向，可用于制造自适应伪装材料和实现电致变色效果。

科学家从自然界中拥有柔性驱动和独特结构色的生物中汲取灵感，推动结构色柔性驱动器的发展。如图1所示，Xue等人成功研制出MXene基柔性驱动器，模仿斑喉伞鸟(Cotinga maynana)的无角度依赖结构色。通过在MXene薄膜上进行胶体SiO2纳米颗粒的自组装，再真空辅助渗入聚偏氟乙烯制成，使驱动器展现出无角度依赖结构色，同时具有快速驱动和恢复能力，可在1.16秒内达到最高曲率0.52 mm−1，暴露于丙酮蒸气中能够在约0.24秒内恢复原形。这些结构色柔性驱动器已用于制造可捕获目标的鸟爪式蓝色抓手、可绕树枝旋转的绿色触手以及可周期性挥动翅膀的彩色蝴蝶。该策略可为仿生多功能柔性驱动器的研究提供参考，推动柔性机器人和下一代智能机器的发展。

图1. 仿生MXene基柔性驱动器具有无角度依赖结构色：A 自然界中斑喉伞鸟的羽毛的无角度依赖结构色；B 制备具有无角度依赖结构色的MXene基柔性驱动器的过程示意图；C 通过刀片涂覆制备的有序排列的MXene薄膜；D MXene薄膜的截面扫描电子显微镜(SEM)图像；E、F仿生MXene基柔性驱动器的截面SEM图像(低倍和高倍)；G、H 仿鸟爪设计的具有无角度依赖结构色的蓝色抓手；I、J 具有无角度依赖绿色结构色的仿生触手，使其能够在树枝上可逆地卷曲；K 开发了具有多种无角度依赖结构色的仿生蝴蝶，在周期性暴露于丙酮蒸气中时，其翅膀会在树枝上上下振动(比例尺：0.5厘米)。

无角度依赖结构色提高了柔性驱动器的视觉吸引力，其颜色范围广泛且不受观察角度影响，增强了美观性，更吸引用户。在MXene基柔性驱动器中实现无角度依赖结构色可提升外观识别度，如展示机器人或可穿戴设备的状态，便于用户快速理解。在生物医学等领域，这些颜色可用于实时监测和诊断。然而，需解决材料兼容性、可调性、稳定性和大规模制造等问题。MXene具有独特机械性能，但仍需进一步深入研究其核心纳米结构。需精确控制纳米结构的大小、形状和排列，确保结构稳定性，并开发可规模化的制造工艺，实现商业化应用。

III  优缺点分析

MXene基柔性驱动器有望实现无角度依赖结构色的性质，具有宽视角、可调性、灵活性和快速响应等优势，但存在颜色范围有限、对环境敏感和制造复杂等限制。

3.1 优点

视角宽：MXene基柔性驱动器实现无角度依赖结构色的关键优势之一，其能够在广泛的观察位置展现出结构色。这一特性使它们适用于多种应用，包括显示器、传感器和伪装系统等。

可调性：MXene基柔性驱动器具有高度可调的颜色和强度性能。通过集成MXene材料与其他组件，可以精确控制结构色，同时可根据特定需求进行定制。

灵活性：MXene基柔性驱动器具有出色的柔韧性，使其适用于需要曲面形状的应用。这种柔韧性使它们能够广泛应用于可穿戴设备、柔性电子和生物医学应用等领域。

快速响应：MXene柔性驱动器响应时间短，能够迅速根据外部刺激改变颜色。这一特性对动态显示、主动伪装和响应式传感器等应用非常有利。

高机械顺应性：MXene基柔性驱动器耐拉伸变形，适用于柔性机器人和可穿戴设备。其结构色性能优越，对外部刺激响应迅速，可应用于智能服装和光响应机器人。

3.2 缺点

颜色范围有限：尽管MXene基柔性驱动器的颜色具有可调性，但与传统颜料或染料相比，其可用的颜色范围仍然有限。因此，某些颜色要求可能无法通过MXene基系统实现，限制了它们在某些领域的应用。

对环境条件敏感：MXene材料对湿度、温度等环境因素较为敏感。这种敏感性可能影响具有无角度依赖性结构色的MXene基柔性驱动器的稳定性和其他性能，因此在设计和操作这些系统时需要考虑周全。

放大制造复杂性：以MXene为核心的柔性驱动器的制造过程复杂且耗时。这种复杂性可能不利于扩大生产和商业化，从而限制该技术的推广。

环境影响：MXene基柔性驱动器及其相关制造过程对环境的影响仍需要进一步研究。评估这些材料的可持续性并优化其合成方法，将对环境的不利影响最小化。

IV 挑战与未来展望

MXene基柔性驱动器实现无角度依赖的结构色，为智能设备和体感机器人带来新机遇。其结构色与变形功能为高级机器人、伪装及响应式显示等领域提供创新方案。然而，仿制复杂结构、扩大制造规模及复杂的控制系统仍是挑战。需深入研究其持久性和稳定性，克服环境兼容性和耐久性限制，推动实际应用和商业发展。主要面临的挑战包括：

材料兼容性—MXene结合其他材料制造无角度依赖结构色的柔性驱动器时，需解决兼容性问题。表面改性技术可增强MXene与材料的兼容性，使化学基团功能化能够提高材料亲和力，实现最佳性能和耐久性。

色彩可重复性—实现无角度依赖结构色设备的颜色一致性和可重复性面具有挑战性。需开发标准化方法，确保MXene基柔性驱动器在不同生产和设备上的颜色性能一致，提升其可靠性和应用接受度。

大规模生产—MXene合成复杂耗时，大批量生产时难以保持质量一致性。柔性驱动器制造技术多样，需发展安全、可规模化、成本效益高的方法，并优化流程以普及MXene基柔性驱动器在生物医学领域的应用。其中建立严格的质量控制机制是关键。

耐用性和寿命—MXene基柔性驱动器及其结构色需确保耐用性和寿命。应优化材料机械性能、增强环境适应性、降低老化效应，以确保长期使用。需探索增强MXene稳定性与鲁棒性的方法。

稳定性—MXene易氧化，需增强稳定性防降解。研究者探索表面改性、保护涂层及稳定组分以提升其稳定性。热稳定性也是需要考虑的因素。若将MXene用于电化学设备，则需提高其电化学稳定性。

能量供应和效率—解决电源供应问题是智能柔性驱动器可靠运行的关键。仿生MXene双态驱动器能够高效利用自然光实现自驱动。MXene柔性驱动器兼具导电、机械灵活性等材料特性，可收集环境能量维持功能，为柔性机器人和仿生系统提供可能。

多功能整合—整合多重功能对于MXene柔性驱动器具有挑战性，在保证性能或颜色稳定性的前提下发展集成方法，需考虑驱动器结构、材料和制造技术，平衡功能性与自身的性能。

成本效用—MXene生产成本高，需平衡功能与结构色性质的成本效益。优化制造工艺可降低成本，自动化、流程优化和3D打印技术有助于缩短生产时间、降低人工成本，实现MXene基柔性驱动器的广泛应用。

颜色可调柔性驱动器—柔性驱动器可调节颜色和形状，应用于柔性机器人和生物医学器械。其挑战在于仿造自然系统的调色能力。需深入了解自然变色机制，开发创新策略，以充分发挥MXene基柔性驱动器的潜力。

生物兼容性和毒性问题—MXene的生物相容性和毒性问题研究需评估其与生物实体的相互作用，包括细胞毒性、血液相容性等。功能化可增强生物相容性，但缺乏评估标准。需深入探索Mxene对于生物体的长期影响，建立相关的数据库。

科学家正赋予MXene基柔性驱动器自修复、多响应等新功能，以适应环境变化并提升性能。随着技术进步，MXene基柔性驱动器在能量收集、生物医学、环境监测等领域展现出巨大潜力。结合形状记忆功能或导电性能，可制造功能强大的集成系统，并从环境中收集能量实现自供电。MXene已应用于药物输送和组织工程等生物医学领域，未来应用将更加广泛。其无角度依赖结构色为显示技术、伪装系统等带来创新机遇。然而，为实现实际应用，仍需优化其性能、耐久性和成本效益。

V 总结

具有无角度依赖结构色的合成材料，可呈现绚丽、彩虹般的色彩，且从不同角度观察仍保持一致，使其具有视觉吸引力和动态设计潜力。MXene基柔性驱动器具有优异的柔韧性，适用于需要顺应性和适应性的应用。其柔软易弯的特性使其能与精细物体互动，并适应复杂环境。此外，这些柔性驱动器具有快速的驱动和恢复速度，适合动态运动和快速响应，赋予机器人系统敏捷地响应能力。总之，MXene基柔性驱动器在无角度依赖结构色研究方面具有广阔前景，有望促进多个领域的发展，提供色彩调控能力、自适应伪装、高质量的显示技术和先进的传感能力。深入研究必将促进创新应用的不断涌现，为先进动态响应材料的发展奠定坚实基础。

作者简介

Rajender S. Varma

本文通讯作者

美国环境保护署 高级研究员

▍主要研究领域

致力于环境友好型合成方法与化学技术的开发，纳米材料和纳米复合材料的绿色合成及其在纳米催化(磁性可回收纳米催化剂)和危险污染物可持续修复(如使用纳米级铁治理污染场地和河流、从燃煤电厂捕获汞、从柴油中去除硫(深度脱硫)等)方面的应用，天然产物，合成有机化学，生物分子在支撑表面上的固定化方法，化学预防抗癌药物的设计与合成。

▍个人简介

1976年在德里大学获得博士学位，在英国利物浦的罗伯特·罗宾逊实验室进行博士后研究后，任贝勒医学院和山姆休斯敦州立大学教授，并于1999年加入美国环境保护局(EPA)，同时与捷克共和国奥洛穆茨市的帕拉基大学(2014年)保持合作关系。拥有超过48年的多学科技术项目管理经验，至今已发表超过980篇，科学论文总引用次数高达74,780次(H因子135)，并连续在2016年至2022年间荣获高被引学者称号，获得16项美国专利，出版8本书籍，撰写27个著作章节和3篇百科全书条目。Nano-Micro letters期刊编委，所获荣誉包括美国环保局的研发办公室可持续发展奖(2015年)、环保局杰出科学贡献和领导贡献银奖(2013年)，以及年度绿色环境技术远见奖(2009年)等。

▍Email：varma.rajender@epa.gov

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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