PVDF/PVA 双层膜的仿生形变。

这种薄膜可以持久运动，如果利用持久运动特性来发电，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，而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。

■本报记者 沈春蕾 见习记者 丁宁宁

花瓣形状的双层薄膜吸收丙酮分子后，花瓣翩翩起舞，犹如一朵在风中摇弋的萝卜花。“这是聚偏氟乙烯/聚乙烯醇双层膜的仿生形变。”明升中国app院深圳先进技术研究院副研究员杜学敏告诉《明升中国app报》记者。

近日，华东师范大学明升手机院博士生导师张利东课题组与杜学敏课题组合作，以聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乙烯醇（PVA）高分子材料为研究对象，通过模拟生物结构衍生规律，制备出新型智能柔性双层高分子膜材料。

一场偶然的相遇

2016年上半年，张利东的身份还是在纽约大学阿布达比分校从事博士后工作的学者，机缘巧合，他和杜学敏都参加了在新加坡举行的国际会议，两人均在会上作了学术手机版，并且认真聆听了各自的手机版。

“我们算是小同行，会上交流特别顺畅，对彼此的研究也非常感兴趣。”杜学敏在得知张利东准备回国发展后，便于2016年下半年邀请他来到深圳先进院指导交流，双方的合作也围绕高分子膜材料正式开启。

随着人类对自然界生物结构了解与认识加深，通过材料与结构设计仿生大自然技术也日趋成熟，推动了刺激响应仿生材料的发展。张利东指出：“近年来，基于刺激响应仿生材料研发的器件已经在工业、医疗、电子、军事等领域得到了较好的应用。”

杜学敏说：“在未来，仿生软材料应用价值将更加巨大，特别是在柔性电子工业，仿生传感器，软体机器人等方面将拥有广阔的前景。”然而，当前在刺激响应材料仿生结构模拟上还存在诸多技术难题。

张利东透露，现有的理论分析认为，要实现高效可控的仿生性能，除了对材料仿生结构的精确设计之外，材料不仅要具有非常好的拉伸耐磨性能、对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能，还必须具有可逆的刺激响应行为，这些是刺激响应型仿生材料实现仿生性能的基本要素，也是拓展其应用的基本条件。

杜学敏称：“只有设计合理的仿生结构、深入理解仿生机理、优化材料机械性能，才能控制动态仿生过程、促进材料的应用步伐。”

张利东课题组开展的柔性智能双层膜的仿生性能机理研究，与杜敏学课题组开展的探索仿生智能材料研究不谋而合。

“不知疲惫”地运动

双方科研团队以廉价易得的高分子材料为研究对象，张利东课题组提出了双层膜设计理念，通过对材料简单的复合改性，制备了具有自驱动性能的高分子双层膜，并设计了各种柔性器件；杜学敏课题组基于光刻蚀技术，制备了带有微孔道结构的硅模板。

科研团队利用模板技术将微孔道仿生结构复制到PVDF膜表面，使得制备的PVDF/PVA双层薄膜在结构上具有周期变化的机械张量，实现了双层膜的仿生性能，并通过外界刺激实现了对双层膜仿生行为的操控。

张利东表示，该双层膜对丙酮分子的刺激具有极其敏感的响应性，并且通过对丙酮分子的快速吸收和释放，可实现双层膜的长时间连续定向形变。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。

实验过程蛮有趣：当PVDF膜表面微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在30°或60°时，薄膜受到丙酮分子刺激产生右手性的缠绕运动。反之，微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在-30°或-60°时，薄膜表现出左手性的缠绕形变。当这种夹角保持在90°时，双层膜吸收丙酮分子而产生向着PVA层的定向弯曲形变。

于是就有了本文开篇的奇妙现象：花瓣形状的双层膜产生了像萝卜花一样的形变运动。

杜学敏告诉记者：“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。”

因此，利用此种仿生运动设计的薄膜传感器，还可以长时间连续监测环境中丙酮浓度，从而极大地拓展了材料的应用潜质。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、柔体机器人等领域应用奠定了坚实的基础。

小薄膜用途大

普通聚合薄膜往往想拥有快速响应、“不知疲倦”的运动特性，就需要牺牲材料的机械性能，比如牺牲材料的杨氏模量（描述固体材料抵抗形变能力的物理量）、耐磨性、抗腐蚀等机械性能。这类普通聚合物薄膜现在已经可以广泛应用于医疗、电子及日常生活等方方面面。

而张利东和杜学敏团队研制的仿生智能薄膜受刺激后，一旦撤除刺激源，薄膜可以迅速恢复其原来的机械性能，因此可达到“不知疲倦”的运动特性。另外，利用这种“不知疲倦”特性的薄膜设计成为柔性传感器，可以长期多次循环使用，大大节省了材料成本。

杜学敏向记者透露：“未来，我们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，以及时预防丙酮对人的伤害。另一方面，我们可以把这种薄膜结合能量采集、人工肌肉、柔体机器人等领域的实际需求，个性化设计适用于不同领域的具体产品。”

他以能量采集来举例，这种薄膜可以持久运动，如果利用持久运动特性来发电，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，而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。