兩名中國博士發(fā)明神奇材料，靈感來自巴甫洛夫的狗

曾浩博士

張航博士

縱觀自然界的各種生物體，不論是形貌結(jié)構(gòu)、還是物理化學(xué)特性，都完美地適應(yīng)著大自然的各種變化與挑戰(zhàn)。正如DNA的發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎得主弗朗西斯·克里克說過的，“生物是進(jìn)化而來的，而不是被設(shè)計(jì)的?！蹦敲磳⑵鋷氲娇蒲蓄I(lǐng)域，又能給研究人員帶來怎樣的啟發(fā)？

來自芬蘭阿爾托大學(xué)和坦佩雷大學(xué)的研究人員受到啟發(fā)，開始重新審視擁有不同功能性的仿生材料，并產(chǎn)生了一個(gè)大膽的想法：人工材料能否通過某種方式，比如自我學(xué)習(xí)，產(chǎn)生適應(yīng)環(huán)境的自我進(jìn)化？

研究人員因此投入到對材料“自我學(xué)習(xí)”的研究，并開發(fā)出一種特殊的“液晶網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器”，這讓他們可以“訓(xùn)練”塑料片在光線的控制下行走。該方法的研究論文發(fā)表在了最新一期的Matter雜志上，這是他們合成的執(zhí)行器第一次根據(jù)其過去的經(jīng)驗(yàn)來“學(xué)習(xí)”新的技巧，而并不需要計(jì)算機(jī)編程。這些由熱響應(yīng)液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)和染料涂層制成的塑料，被稱為“軟致動器”，它可以將能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動。在研究最初階段，執(zhí)行器只能響應(yīng)熱量，但通過將光與熱量相結(jié)合，它又學(xué)會了響應(yīng)光。其響應(yīng)方式很像人類卷曲食指的動作，當(dāng)致動器被照射時(shí)，通過自身彎曲進(jìn)行周期性的蠕動。它的“行走”速度是1毫米/秒，跟蝸牛的步伐差不多。

該論文的并列第一作者曾浩博士和張航博士都來自中國，目前在芬蘭進(jìn)行博士后研究工作。論文的另外兩位作者，分別是阿爾托大學(xué)的教授奧利·艾卡拉和坦佩雷大學(xué)的教授阿瑞·普里姆·吉。

靈感源于巴浦洛夫的狗

此前，常規(guī)的記憶材料或者具有響應(yīng)性質(zhì)的智能材料，它們的性能都是人為設(shè)計(jì)的。換句話說，其記憶形狀、形變與否，是源于分子層面或結(jié)構(gòu)力學(xué)角度的設(shè)計(jì)，其目的也是為了更好地實(shí)現(xiàn)人為控制。

但這種能夠“自我學(xué)習(xí)”的材料是如何煉成的？曾浩說：“我們這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)靈感，來自于巴浦洛夫的狗的條件反射實(shí)驗(yàn)。”巴普洛夫的條件反射實(shí)驗(yàn)是這樣的：狗在食物面前會流口水，但在一開始聽到鈴聲，不會有所反應(yīng)。然而，當(dāng)反復(fù)地讓食物與鈴聲一同出現(xiàn)，狗會在腦海中將食物和鈴聲關(guān)聯(lián)在一起。之后，只要聽到鈴聲，即便沒有看到食物，狗也會流口水?！叭绻麑⒅悄懿牧系母鞣N響應(yīng)（如形狀改變）類比于狗的流口水，而各種外界刺激（如光、熱），看成是對狗體現(xiàn)的食物和鈴聲。那一種材料能夠?qū)崿F(xiàn)自我學(xué)習(xí)，就意味著它對原本中性的刺激產(chǎn)生了條件反射?！痹普f道。

正在“行走”的塑料片（視頻截圖）

液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)制成的人造巴甫洛夫狗

在他們設(shè)計(jì)的液晶網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器中，材料的“學(xué)習(xí)過程”是基于染料的擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)的：材料在加熱情況下會發(fā)生形變，在光照下則不為所動。但當(dāng)加熱與光照并存時(shí)，附于薄膜一側(cè)的染料顆粒會快速擴(kuò)散進(jìn)液晶網(wǎng)絡(luò)（體材料）的內(nèi)部，從而大大增強(qiáng)材料對光的吸收能力以及光熱效應(yīng)。而單純的加熱或者光照都不會讓染料有明顯的擴(kuò)散。于是，經(jīng)過這種“訓(xùn)練”之后，材料便獲得了對光的響應(yīng)性——也就是習(xí)得了“條件反射?！?/p>

坦佩雷大學(xué)的教授表示：“我們的研究本質(zhì)上是在問一個(gè)無生命的材料是否能以一種非常簡單的方式學(xué)習(xí)的問題。我的同事，阿爾托大學(xué)的奧利·艾卡拉教授提出了如果材料可以學(xué)習(xí)會意味著神秘？這引發(fā)了我們的興趣?！薄坝性S多人會說，我們把設(shè)計(jì)的這個(gè)自我學(xué)習(xí)的小軟體機(jī)器人比喻得太遠(yuǎn)了?！卑⑷稹て绽锬贰ぜf道，“從某種意義上說，這些人是正確的，因?yàn)榕c生物系統(tǒng)相比，我們研究的材料還很簡單并且有限。但即便是在他們正確的情況下，我們的研究和巴浦洛夫?qū)嶒?yàn)的比喻也仍然成立?！?/p>

張航說：“傳統(tǒng)的軟體機(jī)器人大多都擁有對外界刺激的響應(yīng)性，比如對光或氣壓等。但此類響應(yīng)性一般不會隨時(shí)間的變化或自身的經(jīng)歷而發(fā)生變化。我們的研究主要是讓材料擁有了通過條件反射獲得新響應(yīng)性的能力，盡管此能力仍然非常的原始和簡單，并且在機(jī)理上與生物體的學(xué)習(xí)完全不同，但它的外在表現(xiàn)符合經(jīng)典條件反射的邏輯?！薄岸@正是我們的設(shè)計(jì)與之前相關(guān)研究的最大不同之處。”張航說，“我們預(yù)計(jì)擁有‘自我學(xué)習(xí)能力的軟體機(jī)器人，會成為該領(lǐng)域的下一個(gè)突破方向，并最終給人們帶來更加智能化的軟體機(jī)器人?！睂τ诮酉聛淼难芯?，他們表示下一步是要增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和可控性級別，以便找到可以被生物系統(tǒng)使用的類比的極限。“我們的最終目的是實(shí)現(xiàn)人工材料的深層次仿生，以及軟體機(jī)器人的高度自動化。”曾浩說。

關(guān)于其在應(yīng)用角度的提問，張航表示：“從這種材料的特性來看，它能作為可遠(yuǎn)程控制的可調(diào)軟微型機(jī)器人，未來會是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想材料。但就目前而言，這項(xiàng)研究還處于初級理論階段，距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離?！睂τ谙乱徊降难芯?，張航和曾浩有著類似的規(guī)劃：我們會繼續(xù)專注于發(fā)現(xiàn)更多更好的、能實(shí)現(xiàn)經(jīng)典條件反射的材料體系。從長遠(yuǎn)來看，擁有經(jīng)典條件反射能力是使材料擁有真正復(fù)雜學(xué)習(xí)能力的第一步。而這些材料預(yù)計(jì)在未來能為我們帶來更加智能的、對環(huán)境有更好適應(yīng)能力的、可自主學(xué)習(xí)并進(jìn)化的機(jī)器人或其他人造體系。

二人的學(xué)習(xí)經(jīng)歷

曾浩，本科和碩士均畢業(yè)于南開大學(xué)物理學(xué)院，分別在2008年和2011年獲得了光子學(xué)與技術(shù)的學(xué)士和碩士研究生學(xué)位。在2011年～2015年期間，在意大利的佛羅倫薩大學(xué)讀博士，師從德里克·維爾斯馬教授，也正是在博士期間，開始接觸到液晶聚合物人工肌肉材料，以及其激光微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的研究。

在2016年，他前往芬蘭的坦佩雷大學(xué)并跟隨阿瑞·普里姆·吉教授進(jìn)行博士后研究，并于2018年獲得了芬蘭國家學(xué)院博后研究員稱號。曾浩長期從事光控微型機(jī)器人的開發(fā)研究，力圖在光響應(yīng)智能材料中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自適應(yīng)功能。在一個(gè)很偶然的機(jī)會，他接觸到芬蘭阿爾托大學(xué)的奧利·艾卡拉教授，也就被這個(gè)充滿想象力的、能“自我學(xué)習(xí)”的材料的研究設(shè)想所深深吸引。隨后，他便和奧利·艾卡拉課題組的博后研究員張航共同設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案。最后在兩個(gè)課題組的共同努力之下，非常幸運(yùn)地完成了在Matter上發(fā)表的工作。

張航，本科畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，碩士則畢業(yè)于德國亞琛工業(yè)大學(xué)化學(xué)專業(yè)。他于2017年在位于亞琛的萊布尼茨交互材料研究所獲得了博士學(xué)位，研究課題為基于水凝膠的光驅(qū)動軟微機(jī)器人。隨后，便在芬蘭的阿爾托大學(xué)進(jìn)行博士后的研究至今。他的研究方向主要包括等離子體納米顆粒的自組裝、可編程凝膠，以及軟機(jī)器人。一直以來，張航都對使用人造材料來實(shí)現(xiàn)各種不同的生物擬態(tài)和仿生功能十分感興趣，因此加入了阿爾托大學(xué)奧利·艾卡拉教授的課題組，從事在人造材料里實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)功能的研究。（摘自美《深科技）（編輯/萊西）