综述：生物材料，自然界中自我维持和自主功能的材料系统

生物系统自发地将能量输入转化为生存所必需的行动。在这些过程的功效的激励下，研究人员旨在打造表现出自然界中自我维持和自主功能的材料系统。这项工作的成功将需要以下内容的合成类似物：产生能量的新陈代谢，传输能量和材料的血管，传递“命令”的神经系统，将命令转化为物理行动的肌肉骨骼系统，监控整个企业的监管网络，以及将“营养素”转化为生长材料的机制。设计规则必须在范围内将材料的结构和动力学特性相互连接长度（从纳米到中尺度不等）和时间尺度，使局部能量耗散能够为全球功能提供动力。此外，通过利用材料固有的动态交互，系统本身可以执行自身功能所需的工作。

在这里，我们评估了耗散材料设计的进展和挑战，同时旨在刺激下一代功能性“生活”材料的发展。推动我们体内的所有物理动作，从分子尺度的消化过程，到通过微尺度通道运输反应物，再到宏观尺度运动。鉴于耗散过程在生物学中的有效性，自然为将分子尺度活动放大为宏观化行为提供了有用的指南。然而，到目前为止，很少有合成材料系统具有类似的分层组织，允许能量输入来触发生物体的自我维持的多功能性。此外，我们目前缺乏可推广的设计规则来协调材料系统的内部架构及其固有属性，以允许材料本身执行有用的工作，并成为其自身功能背后的“操作员”。

值得注意的是，过去三十年的革命性进步导致了“分子机器”1-4的制造，这些机器消耗来自外部刺激的能量来实现纳米级运动，如“纳米机械”5,6。此外，在20147年，研究人员发现溶液中微尺度表面的酶反应产生足够的能量来推动流体在中尺度距离（微米到毫米尺寸）的流动。化学生成的流动系统将纳米（试剂和颗粒）与宏观尺度8-10的微观和下限联系起来。尽管如此，将分子马达中开发的精致时空协调扩展到仿生、耗散材料，这些材料整合了所有功能长度和时间尺度的现象，这仍然是一个实质性的挑战。

仿生、耗散材料系统的例子

Metabolism

注入pH响应水凝胶中，促电机-抑制剂反应在聚合物网络的pH诱导的膨胀和收缩之间提供了时间分离，允许每个相发挥不同的功能。使用响应式和非响应式凝胶，启动-抑制剂反应使聚合物拼图的宏观碎片具有pH值依赖性（图1b）。最近的一项发现7支持了创造合成代谢的发展，即充满液体的微囊中的局部酶反应驱动周围溶液的流动49-59（如图1c所示）。这种行为体现了仿生化学机械转导：酶（或其他催化）反应释放的能量被无缝转化为流动溶液的动能。一旦将特定的反应物添加到溶液中，这种化学机械转导就会自生自发地发生；除了添加营养素（即反应物）外，不需要其他刺激来实现将化学物质转化为机械能。

支撑这种形式化学机械转导的主要机制之一是溶液浮力53-58，当反应的反应物和产物占据不同的体积时，就会发生。流体中随之而来的局部密度变化产生一种力，这种力驱动流体和浸没物体的运动53-56。柔性片为合成代谢57-59提供了有用的主机；二维（2D）表面允许化学反应网络的指定空间布局，进而可以调节系统中的时间相互作用。参与促进-抑制剂反应的两个催化片的空间分离（图1d）促进了耦合反应之间的时间延迟，并使溶质浮力效应能够产生每个片状物上方的对流59。时间延迟、片状灵活性和对流的综合影响导致了图1e中看到的振荡运动和形状变化（根据推进模式，速度可以从0.01到0.1毫米s-1）不等。板材的变形产生了自我维持的机械工作，使系统表现出相当大的自主性。

Vasculature

在生物学中，血管通常是指运输液体（血液）的系统，而神经系统传输电化学信号。我们在这里专注于流体输送和进一步的电化学转导。柔软、自主操作的Octobot64结合了血管和新陈代谢的元素；3D打印的血管将溶液输送到反应室，在那里，分子尺度的催化反应产生气体，导致压力的积累，导致厘米尺度的机器人自发地抬起其八只手臂之一。

三维打印65,66也可用于将不同的功能嵌入到多层系统的不同凝胶层中。例如，一层可以引入开放的流体通道，而另一层可以注入离子或导热油墨（图2a）67。当图层堆叠成宏观3D结构时，平台形式可以感知和传播不同的信号。使用这种方法，研究人员制造了一个材料系统，可以同时执行触觉、本体感知和热感知感应，模仿生物神经系统不同部分的功能。

然而，对于流体系统来说，限制血管不需要自我组织成定义良好的溪流68。随着三个含酶的微凝胶和适当的反应物在溶液中的位置，随后的化学反应之间的时空相互作用变得高度协调，并产生了一个自组织的中尺度流体“电路”（图2b-d）68。可以通过凝胶的数量和位置以及凝胶中定位的催化剂类型来控制每个组成流的电路布局和流动方向。

Nervoussystem

我们设想一个合成神经系统作为传感器，它接收和传播有关当地环境的信息，然后指导合成肌肉组织（见下文）产生特定情况的反应。对于合成材料，设计检测机械应力的方法对于保持系统的完整性和功能至关重要。理想的传感元件应该识别机械线索（压力），然后驱动系统的相关响应。例如，压电（PZ）材料可以将机械输入转换为电信号，电信号（通过导管金属）通过广泛的合成网络传播，以触发仿生肌肉以执行适当的动作。

研究人员最近在各种材料（例如半导体、金属、电介质）中开发了三维中间结构，这些材料可用于传感和收集机械能，以实现自我维持的功能。带有多层材料图案的二维聚合物片，包括PZ、等离子体纳米结构、光敏半导体和电解材料，与预拉伸弹性体衬底的特定区域粘合（图3a）70。压缩拉伸材料会导致2D层从非粘结位置“弹出”以形成3D架构。低至~100纳米的特征尺寸可以引入中尺度结构，嵌入式材料导致传输信号和能量的电、光和热机械通路。

作为一种替代方法，可以通过3D打印创建软材料的神经系统，使用导电墨水直接书写，以刻有指定布局的厘米大小的电路（图3b-d）67。通过自动“拾取和放置”方法，所需的制造电子元件被放置在铭文电路的特定位置（图3b），使系统具有加工能力。由此产生的电路可以传输和处理信号，以增强对可穿戴电子产品、软机器人和生物医学设备行为的控制水平。例如，执行机械电转导的耐磨电子设备现在可以测量身体运动时的应变（图3d）。

仿生神经系统和血管的组合在由微米宽的弹性体丝带组成的毫米大小的网络中显而易见，这些弹性体带注入了液态金属（图3e-g）3,71。应用电流触发电磁力，动态快速地将2D平面网络“重新编程”为所需地形的可变形3D表面（图3g）。因此，该系统能够平稳地可逆地从一个形状变形到另一个形状，在人与机器之间提供触觉接口。注入的液态金属还赋予了设备在温度和化学传感、热驱动和射频通信方面的能力。

Musculoskeletalsystem

Growth

一种种植和修饰聚合物的替代方法，其结构定制和工程大分子（STEM）凝胶80,81。该系统（图5b）包括一个包含潜在活性位点（inimers）的主要交联“脚手架”，用于启动次级成分的结合/聚合以及STEM凝胶特性和功能的修改。STEM凝胶的修改还可能涉及有机分子、蛋白质或纳米颗粒的受控附着，从而实现初始支架的结构差异化。

此外，可以通过将活种子浸入所需的溶液82,83来实现仿生生长，以便种子中的活性活端与从溶液中吸收的单体和交联剂进行聚合反应。聚合导致网络膨胀；次级链可以与初级凝胶发生交换反应，形成随机共聚物网络（图5c）。能量有利的交换使新聚合的质量被纳入网络，从而扩大尺寸并改变形状。初始种子可以锚定在母凝胶的特定部分，只允许在样品的特定区域生长，包括从扁平凝胶发出的突起82（图5d）。

如果一级和二级链形成交联（而不是进行交换反应），那么该系统会产生一个相互渗透的聚合物网络84。互通聚合物网络和随机共聚物网络的机械行为可以调整，例如，通过改变溶液中交联剂和单体的相对浓度，或选择自适应的化学来实现规定的焓相互作用。然而，与随机共聚物网络不同，相互渗透聚合物网络的形成只能重复有限次，直到网络变得过于密集，无法从溶液中吸收其他物种。

上述示例之间的比较揭示了生产仿生和耗散功能材料的合理指导线。这些例子还突出了创建具有更高逼真功能水平的人造系统的研究机会。可以说，这个研究领域的最大挑战之一是利用系统中材料的先天特性，不仅要执行一个功能，而且要在一个分层组织的系统中结合集成功能5。

作为机器的材料也被称为“机器人材料”94,101-104。机器人学的最新进展为这一领域提供了新的视角，引发了人们对多种机器人材料之间协作相互作用的潜力和性质的质疑。这些机器人可以一起工作来组装其他相同的机器人（每形成一个级别的“复制”）甚至更大规模的结构吗？多个机器人可以合作，从而以高效的方式完成工作吗？更一般地说，可以编程为根据不断变化的需求自动改变其属性的机器人材料将显著增强智能材料的功能，并实现感官机器人、假肢甚至服装。创建这些自主多任务材料需要我们开始解决上述具体挑战清单。解决这些特殊问题不仅对创造新的仿生材料，而且控制物质以解决我们的一系列能源需求产生了深远的影响。

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