摘要：太阳是地球上生命的主要能量来源，推动生态系统中的能量循环。所有生命形式都直接或间接地依赖于阳光的存在。自然界一些生物体具有独特的与阳光进行动态交互能力，主动感知并响应光照变化，从而在复杂多变的环境中保持适应性。趋光性（Phototaxis）是一种典型的智能光响

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授、王玲教授团队在国际权威材料期刊《

太阳是地球上生命的主要能量来源，推动生态系统中的能量循环。所有生命形式都直接或间接地依赖于阳光的存在。自然界一些生物体具有独特的与阳光进行动态交互能力，主动感知并响应光照变化，从而在复杂多变的环境中保持适应性。趋光性（Phototaxis）是一种典型的智能光响应行为，具有正趋光性的生物会靠近光源，而具有负趋光性的生物则会远离光源。例如，海洋浮游动物（如轮虫、海绵、水母）的幼虫会游向光源，这些幼虫的视觉器官无法成像，但却能感知光的方向。每天，无数的海洋浮游动物都会趋光游动，这种运动构成了地球上最大的生物质资源运输。许多飞行昆虫（如飞蛾、蝴蝶、蜜蜂）也表现出趋光行为，它们会主动飞向光源。这种行为不仅有助于它们通过保持直线飞行减少能量消耗，还可以通过内外部信号获取空间位置信息，动态调整飞行姿态。相比之下，一些陆地无脊椎动物（如蚯蚓、卷毛虫、蟑螂）则倾向于躲在黑暗中，以避免阳光带来的辐射伤害或捕食者威胁。向光性（Phototropism）是另一种典型的光响应行为，常见于向日葵、小麦等植物。它们的器官能够通过细胞不均匀伸长向光生长，从而优化光合作用对光能的捕获，同时提高根部对水分和养分的吸收效率。这些复杂的光响应行为展示了生物体通过与阳光的动态交互实现自我调节。这种自我调节机制为材料科学家设计仿生人工趋光/向光系统提供了灵感，不仅有助于深化对生物光响应机制的理解，还推动了仿生智能光响应系统的设计及其在实际中的应用。

近年来，光响应智能材料的发展使研究人员能够设计出模拟自然生物趋光/向光行为的人工系统。这些系统利用光响应材料的独特特性（如光催化、光致异构化和光热效应），自适应地根据周围光线调节自身运动，在微型反应器、微引擎、人工肌肉以及可重构电子设备等领域得到广泛应用。在本综述中，我们以微纳米马达、液滴和响应性软体机器人为研究对象，全面介绍了基于光响应智能材料的仿生人工趋光/向光系统的最新研究进展（图1）。我们讨论了它们的正/负趋光行为，详细阐述了这些系统背后的基本设计原理和驱动机制，并突出当前的挑战和未来的发展机遇。我们期望本综述能够加深对人工趋光/向光行为的理解，并激发在智能趋光系统的设计、功能化和实际应用领域的进一步发展。

图1. 基于光响应智能材料的仿生人工趋光/向光系统

微纳米马达（Micro/Nanomotors, MNMs）是一种能够将周围环境中的化学能或者外部能量转化为机械能从而产生自主运动的新型人造微纳米机器，可广泛应用于靶向药物递送、动态组装以及环境修复等领域。为了高效执行这些任务，MNMs必须具备可控的运动能力。光作为一种丰富且环保的能量来源，能够通过调节其“开/关”状态、波长、强度和传播方向，实现对MNMs运动的远程控制。然而，在动态变化的环境中，光响应MNMs必须具备沿预定路径自导航的能力，这要求MNMs具有智能趋光性，而不仅仅依赖于外部操控。本章重点介绍了仿生趋光MNMs的最新进展（图2）。趋光MNMs通常设计为两种典型结构：不对称的Janus结构和对称的各向同性结构。我们详细阐述了这两种不同结构的MNMs的趋光机理，并进一步探讨了它们的集体趋光行为。具备趋光能力的MNMs有望成为新一代智能MNMs，为生物医学、环境修复以及微纳米工程等领域带来革命性技术。

图2. 基于光响应智能材料的仿生趋光微纳米马达

在过去的几十年里，液体操控技术的探索始终是研究的重点，并且在科学研究和实际应用中展现出重要意义，如水收集、流体传输、生化分析、临床诊断以及分子材料合成等。传统的液体操控方法通常依赖于基于通道的微流体装置，然而流动液体与通道壁的接触和限制可能导致严重的污染和堵塞问题。相比之下，无通道的光驱动策略能够实现远程无接触控制，在精确的液体操控方面具有显著优势。研究人员已经报道了多种具有趋光性的液滴，它们能够在没有外部控制的情况下，自主地朝向或远离光照区域或入射光方向移动。这种自主导航能力使它们能够胜任分子货物的精确运输以及流体软体机器人等任务。本章重点介绍了仿生趋光液滴的最新进展（图3）。我们探讨了液滴在两种不同环境中的趋光性：不可混溶液体环境和疏液固体表面，并解释了其背后的趋光机理。此外，我们还展示了趋光液滴在多个领域的实际应用，包括货物运输、化学微反应器、环境监测、电控开关、细胞培养、微流体芯片以及体内生物医学应用。

图3. 基于光响应智能材料的仿生趋光液滴

软体机器人的发展已迅速成为当代科学和技术中最热门的研究领域之一。相比于由湿度、电场、磁场或气动系统驱动的软体机器人，光驱动软体机器人能够实现无束缚控制，具有高控制精度，并能够展现多种可编程形变和新颖的仿生机器人运动。受植物的向光性以及海洋生物、昆虫等生物趋光行为的启发，研究人员使用先进的光响应形变材料（如水凝胶、液晶弹性体、形状记忆聚合物以及双层聚合物）设计了一系列向光/趋光软体机器人。本章重点介绍了向光/趋光软体机器人的最新进展（图4）。我们展示了软体机器人的向光弯曲以及多种仿生趋光运动，包括游动、爬行、滚动和飞行。这些向光/趋光运动依赖于多种运动机理的整合，包括不对称形变、自阴影效应、流体动力学作用力和质心偏移，赋予了软体机器人在复杂环境中的自我调节能力和自主运动能力。从增强太阳能系统的能量收集能力、物体运输、光引导、发电，到在复杂环境中的自主导航，向光/趋光软体机器人作为一种多功能工具，能够在多种应用场景中发挥作用，为现代科技和智能材料的发展提供了新的可能性。

图4. 基于光响应智能材料的仿生向光向日葵驱动器

该综述全面地总结了基于光响应智能材料的仿生趋光/向光系统的最新研究进展。文章详细讨论了三种光驱动系统（MNMs、液滴和软体机器人）的趋光/向光行为，阐述了它们的材料组成、结构设计、趋光机理及其在多领域的潜在应用，突显了光响应智能材料在构建具有人工趋光/向光能力的自适应设备中的变革性潜力，并提出了对仿生人工趋光/向光系统的新思考和未来发展方向。天津大学为本论文第一单位，论文的共同第一作者为天津大学博士生杨潇（已毕业）和博士生陈原浩，通讯作者为天津大学王玲教授和封伟教授。相关研究获得国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目支持。

【通讯作者简介】

王玲，天津大学讲席教授，博士生导师，国家重点研发计划项目负责人，天津市杰出青年基金获得者和国家海外高层次优秀青年人才。主要致力于功能液晶智能材料的设计与制备及其在变色隐身、软体机器人、高速通信、能源和安全等领域的应用研究。

封伟，天津大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。

文章信息：

Xiao Yang, Yuanhao Chen, Faxin Wang, Sensheng Chen, Zhilong Cao, Yufan Feng, Ling Wang*, and Wei Feng*. Bioinspired Artificial Phototaxis and Phototropism enabled by Photoresponsive Smart Materials. Materials Today, 2025, DOI: 10.1016/j.mattod.2025.05.004.

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来源：裴裴科技智慧