深海生物的发光机制为仿生设计提供了创新思路。为了满足深海暗光环境下的探测需求，开发具有高亮度荧光的软体机器人是实现长期原位观测的关键。将高性能荧光分子加入到水凝胶基质中是一种快速直接的方法，然而这种方法面临一些问题：荧光分子在物理交联系统中容易解离，复杂的水环境可能导致材料结构不稳定。这些问题限制了水下设备的荧光稳定性和使用寿命。

  近期，福州大学功能高分子工程技术研究所林腾飞副教授团队联合福州大学附属省立医院麻醉医学中心郑晓春教授团队，受海洋生物行为的启发，设计了一种基于共价交联实现高效荧光的仿生软体致动器（图1）。致动器由双层水凝胶构成：发光层PT4B-N通过冻融法形成，其中TPE-4BA与聚乙烯醇（PVA）发生共价交联；驱动层PNPC采用光引发聚合法形成，主要成分包括PT4B-N和聚丙烯酸（PAAc）。值得注意的是，发光层以共价交联结合荧光分子，实现了高光致发光量子产率（PLQY > 60%）。作者构建了不同类型的四苯乙烯（TPE）分子模型用以进一步分析，结合密度泛函理论（DFT）计算和相互作用区域指示函数（IRI），揭示了其高亮度荧光现象源自于分子内旋转与振动受限效应，这一结果在实际中得到了验证（图2，图3）。

图1 基于双层水凝胶结构的仿生软体致动器的合成路线

图2 相互作用区域指示函数（IRI）揭示高亮度荧光现象原因

图3 密度泛函理论（DFT）计算得出前沿分子轨道分布与能级示意图、静电势表面分析图以及键能大小

  由于驱动层中的PAAc在不同pH条件下表现出的溶胀特性（图4），借助双层水凝胶间的溶胀差异，致动器可以实现运动控制（条状水凝胶：最大弯曲角度 ≈ 360°，循环时间≈ 20 min）。双层水凝胶无需界面粘合剂即可实现层间稳定结合，简化了制造工艺。实验结果表明，该器件可以执行抓取、释放等类似生物的协同荧光和形状变化行为（图5），在长时间工作和海水环境下依然能够维持高亮度荧光性能。

图4 具有pH响应特性的双层水凝胶结构及内部相互作用示意图

图5 仿生软体致动器模拟抓取、释放等类似生物的协同荧光和形状变化行为

  该设计为深海探测装备的智能化和功能集成提供了新范式，在海洋原位监测、隐蔽区域勘探及仿生机器人开发等领域具有应用前景。其成果以“A Biomimetic Soft Actuator Achieves Efficient Fluorescence via Covalent Cross-Linking”为题发表在《Small》上（Small 2025, 2503597）。文章的第一作者是福州大学硕士研究生廖世杰和博士研究生董高磊，本文通讯作者为福州大学林腾飞副教授和福州大学附属省立医院郑晓春教授。该研究得到了国家自然科学基金和福建省自然科学基金的支持。

  这项工作是该团队近期关于荧光水凝胶致动器的制备及应用相关研究的最新进展。在过去的两年中，团队在聚集诱导发光水凝胶在光学智能显示领域取得了一定进展，包括混合编码多重刺激响应水凝胶（ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6, 1422-1428）和稀土离子掺杂多色荧光响应水凝胶（ACS Appl. Polym. Mater. 2025, 7, 700-709）在防伪、信息加密等方面的应用。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202503597

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