Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
这项研究揭示了活性星形聚合物表现出一种被称为“活性拥抱”的非平衡现象，即自驱动臂克服了位阻斥力，从而自主塌缩并捕获周围颗粒，有效地发挥着用于靶向货物操控的微型镊子的功能。
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生命体拥有一种能够自主改变形状和功能的出色能力。细胞可以重新组织其内部骨架以进行移动，或者蛋白质可以自我折叠成精确的形状以执行任务，而无需外部力量引导这一过程。科学家们长期以来一直试图在合成材料中重现这种自我导向的行为，希望构建出能够仅通过自身内部能量进行折叠、包裹或抓取物体的软体机器。虽然研究人员已经成功制造出在受能时会膨胀、拉伸或蠕动的材料，但要让它们执行特定的机械任务——例如通过包裹邻近物体来抓取它——仍然是一个艰难的挑战。大多数活性材料仅仅是在移动或改变整体尺寸，但它们缺乏与环境进行有针对性交互所需的协调控制。
一组研究人员现在发现了一种利用一种特殊的星形结构来实现这种自主抓取行为的新方法。他们制造并研究了“活性星形聚合物”，这些结构并非由微小分子组成，而是由肉眼可见的厘米级大颗粒组成。每个结构都由一个中心被动核心和向外延伸的若干条臂组成。这些臂由较小的颗粒构成，这些颗粒被设计为在放置在振动表面时能够自主运动。通过结合物理实验和计算机模拟，研究人员发现这些活性臂会自发地围绕中心核心以及彼此周围缠绕，有效地将结构紧紧抱成一个球体。他们将这种现象称为“活性拥抱”（active embracement）。这种现象使星形聚合物能够塌缩成紧凑的形状，与其他的星形聚合物聚集在一起，甚至能够触及并捕捉附近漂浮的松散颗粒，功能类似于一对自主的镊子。
研究人员使用3D打印技术制造了这些星形聚合物定制颗粒。中心核心是一个被动圆柱体，像水中的尘埃一样随机移动。连接到该核心的是若干条臂，每条臂由一串活性颗粒组成。这些活性颗粒配备了七条以特定角度倾斜的小腿。当整个系统放置在一个以每秒100次频率进行垂直振动的平板上时，倾斜的腿会导致活性颗粒跳跃并向特定方向移动，从而产生持续的自驱动运动。这些臂通过刚性连接件与核心及彼此连接，这些连接件允许它们自由旋转，但保持颗粒间的距离固定。研究人员在圆形竞技场中测试了这些结构，观察了它们在不同臂数和不同臂长下的行为。
在缺乏这种自驱动运动的情况下，星形聚合物的臂只会向外扩散，因为它们无法占据相同的空间。然而，当这些臂具有活性时，行为发生了剧变。臂的持续运动导致它们彼此碰撞。由于这些颗粒是由产生摩擦的材料制成的，因此这些碰撞并不仅仅让它们弹开；相反，摩擦力减慢了它们的运动速度，并使它们粘在一起。这导致了一种状态，即臂围绕着中心核心和彼此缠绕，使整个结构塌缩成一个紧密的球状。研究人员在物理实验和计算机模型中都观察到了这种自塌缩行为，并注意到无论星形聚合物有多少条臂或臂有多长，这种现象都会发生。
这种缠绕和粘附的机制并不局限于单个星形聚合物与其自身的交互。当多个活性星形聚合物被放置在一起时，它们并不会像被动物体那样相互排斥。相反，它们的活性臂会伸向并拥抱相邻星形的臂。接触产生的摩擦力减缓了不同星形之间的相对运动，导致它们聚集在一起并长时间保持紧密接触。计算机模拟证实，这种聚集是活性运动和颗粒间摩擦的直接结果；如果没有摩擦，这些星形只会互相弹开并保持分离。
这项研究中最令人瞩目的演示或许是活性星形聚合物捕捉并运输被动物体的能力。当研究人员将松散、不动的颗粒放入含有活性星形聚合物的竞技场时，星形的臂会自发地包裹住这些松散颗粒，将它们困在塌缩的结构内部。活性星形有效地“抓取”了被动颗粒，并随着它的移动而携带它们。相比之下，缺乏自驱动运动的被动星形聚合物无法捕捉任何东西；它的臂只会将松散的颗粒推开。研究人员测量了在不同密度下捕获的颗粒数量，发现活性星形捕获的颗粒显著多于其被动对应物，有时甚至能捕捉竞技场中近一半的可用颗粒。
该研究强调，这种行为的关键在于自驱动运动与摩擦力的结合。活性运动驱动着臂去探索周围环境并发生碰撞，而摩擦力则确保了一旦它们接触，就会保持在一起而不是弹开。这创造了一种独特的物质状态：结构在不断运动的同时，仍能维持一个稳定的、塌缩的形状。研究人员建议，这种“活性拥抱”可以作为设计能够执行机械任务的智能材料的蓝图。通过调整这些结构的架构，有可能创造出能够自主收集货物、自我组装或在复杂环境中导航的软体机器人或材料，从而模仿生物系统中发现的适应能力，但其驱动力完全源于物理原理。
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