“道法自然”，自然界是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。例如，自然界中大部分植物都会向光生长，这是由于向光生长有利于获得更大面积、更多的光照，有利于光合作用，维持植物更好的生长。作为向光性植物的典型代表，向日葵不仅可感知太阳光的方向并随之响应，而且可以自发地不断地紧紧追踪阳光运动，表现出了一种自我调节的生物智能。向光性这种独特的生物自调节机制为我们开发新型的仿生智能材料与技术提供了丰富的灵感。近年来，如何设计和开发仿生向日葵的向光性智能材料成为世界各国科学家的关注焦点。液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）兼具聚合物弹性和液晶各向异性，同时具有多刺激响应性、类似肌肉的机械性能、可逆驱动变形以及形状可编程等性能，是一类优异的智能高分子材料，在仿生智能材料、人工肌肉和自适应系统等领域均具有广泛的应用前景。
近日，天津大学封伟教授和王玲教授团队与东南大学李全院士团队合作，成功开发了一种基于MXene增强液晶弹性体的仿生向日葵管状液晶驱动器，实现其在三维空间内智能感知、信息自反馈和精准光源追踪，并探索了其在自适应光伏系统中的潜在应用（如图1所示）。该研究不仅为开发兼具感知、自反馈和执行功能的软物质智能材料提供新思路，还有望为高分子智能材料在自适应光电子学、智能软机器人等领域的应用研究奠定基础。相关成果以题为“Bioinspired Phototropic MXene-Reinforced Soft Tubular Actuators for Omnidirectional Light-Tracking and Adaptive Photovoltaics”在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上发表。天津大学为本论文第一单位，论文第一作者为天津大学硕士研究生杨梦园，论文通讯作者为天津大学王玲教授，封伟教授和东南大学李全院士。相关研究获得国家自然科学基金等项目支持。
图1. 自然界向日葵向光性机理和液晶纳米管状驱动器的自适应光伏器件示意图
作者设计并制备了一种可光聚合的二维MXene纳米单体，通过原位光聚合到主链型交联液晶弹性体中，获得了MXene增强的液晶弹性体（MXene-LCE）管状软体驱动器。可光聚合MXene纳米单体与LCE基体具有良好的相容性，显著增强了LCE的机械性能并赋予其优异的光驱动能力（如图2所示）。由于径向形状对称性和向光不对称变形特性，MXene-LCE管状驱动器能够像植物茎一样向光照射的方向弯曲。作者详细研究了MXene-LCE管状驱动器的向光性行为及其感知、自反馈和功能执行机理（如图3和图4所示）。当受到光照时，MXene-LCE管状驱动器能够迅速感知、向光弯曲，并通过自反馈回路实现光源精准追踪，具备在三维空间内所有角度快速感知、连续跟踪和自适应地与入射光相互作用的能力。值得一提的是，MXene -LCE驱动器独特的中空管状结构可以通过延缓径向热传导，在光照面和阴影面之间产生较大的温差，赋予管状驱动器快速的光响应特性和优异的光热可控性，从而实现了类似向光性植物的自适应光源精准追踪。
图2. MXene-LCE管状驱动器的制备及性能研究
图3. MXene-LCE管状驱动器在三维空间内的自适应高精度光源追踪
图4. MXene-LCE驱动器基于反馈回路的向光性机理
作为概念验证演示，作者设计并制备了基于MXene-LCE管状驱动器的人工向日葵，能够实时迅速追踪不断变化的非聚集光源。作者进一步将MXene-LCE管状驱动器与商用太阳能电池板集成，制备了具有优异的光跟踪能力的自适应光伏系统（如图5所示）。与非向光系统相比，所制备的向光性光伏系统能够始终保持光源垂直入射，从而获得最大的光电转化效率，显著提高太阳能收集效率。该研究有望为自适应光电子学、先进太阳能捕获系统以及智能感知软体机器人的发展提供新的思路和实验指导。
图5. 仿生向日葵和自适应光伏太阳能收集器件
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