终身科学家

施陶丁格于 1881 年 3 月 23 日出生于德国沃尔姆斯。除了知道他对植物学感兴趣以外，人们对他的早年生活知之甚少(参考文献 1）。他的父亲是一名哲学教授和和平平主义者，影响了他的许多观点，并鼓励他学习化学（参考文献 2）。施陶丁格在达姆斯塔特大学获得了硕士学位，随后于 1903 年在哈勒大学获得化学博士学位。1907 年，他在斯特拉斯堡大学师从Magda Woit Staudinger，获得了学术讲师的资格。

同年，施陶丁格成为卡尔斯鲁厄理工学院化学研究所的有机化学教授。从 1912 年开始，他在瑞士联邦理工学院担任了 14 年讲师，研究聚合物。1926 年，他成为弗莱堡大学的化学讲师，并在那里度过了余下的职业生涯。第二年，他与他的第二任妻子——生物学家和植物学家 Magda Woit Staudinger 结婚，她后来成为他许多著作的共同作者。

赫尔曼·施陶丁格的肖像，1954 年由诺贝尔基金会拍摄。该照片已经进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

早期发现

1907 年，施陶丁格在斯特拉斯堡大学学习期间，发现了被称为烯酮的有机化合物家族，这种高活性气体可用于合成酯和酰胺。这一发现为日后生产青霉素和阿莫西林等抗生素奠定了基础。1919 年，他和一位同事观察到有机叠氮化物与三苯基膦（PPh3）发生反应，生成高产率的亚氨基磷烷（R3PNR’），这是他职业生涯中的另一重大发现，也就是如今众所周知的施陶丁格反应（参考文献 3）。

施陶丁格反应的机理。通过 Wikimedia Commons共享，获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0s 许可公开使用。

在瑞士联邦理工学院任职期间，Staudinger 潜心研究橡胶化学。1920 年，他发表了一篇震惊国际化学界的论文 Über Polymerisation。在这篇论文中，他首次提出一个新理论，他称之为“聚合物”，即由高分子量化合物组成的如天然橡胶、淀粉和蛋白质等物质，这些化合物由许多重复的小分子通过共价键合成长链的反应形成（参考文献 4）。Staudinger 将这些化合物称为“大分子”。他的新理论与当时公认的理论形成了鲜明对比，后者认为像由洗涤剂形成的胶束状聚集体是导致高分子材料特性的原因。

使用回形针链类比的由小片段连接而成的聚合物。获 Evastar 授权，通过 Wikimedia Commons 在公有领域使用。

走在时代前列

尽管施陶丁格从氢化反应、黏度测定法和其他实验中收集到了支持他的理论的证据，但当时的主流有机化学家并没有轻易相信他的理论。科学界花了近 20 年的时间才认同他的观点。

1916 年，赫尔曼·施陶丁格正在进行实验。图片已进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 授权。

1926 年，施陶丁格参加了一场最终让他在化学界声名鹊起的辩论。这场辩论发生在德国自然科学家和内科医生会议上，辩论双方分别是聚合物原始聚合体理论的支持者和 施陶丁格新的大分子理论的支持者。这场辩论由化学家 Fritz Haber 组织，此前施陶丁格曾质疑 Haber 在毒气战中的作用（参考文献 5）。施陶丁格一直强烈反对毒气战，并因此遭受到职业上的损失。

在辩论中，Herman Mark 提出了天然聚合物结构的 X 射线晶体学证据，表明大分子可能存在，但无法得出明确的结论。其他几位化学家的研究成果也证实了施陶丁格的理论，但辩论结束时仍未达成共识。

期待已久的认可

施陶丁格的整个职业生涯中都在捍卫他自己的理论，尽管其他科学家劝阻并鼓励他转到其他领域工作。20 世纪 30 年代，随着对聚合物的研究越来越多，人们的想法开始发生变化，他的理论也慢慢被其他化学家所接受。1953 年，他因在高分子化学领域的发现而获得诺贝尔化学奖，这距离他发表具有里程碑意义的论文已经过去了 30 多年。施陶丁格于 1965 年去世。1999 年，美国化学学会和德国化学学会将赫尔曼·施陶丁格故居指定为国际化学历史地标，以表彰他作为高分子科学奠基人所做的工作。

施陶丁格的发现是高分子化学领域诞生的基础。他的大分子理论适用于天然和合成聚合物，这些聚合物后来被广泛应用于需要轻质但耐用的结构产品的工业材料中，如食品包装、电路板、航天器和医疗植入物。

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参考文献

1. “Hermann Staudinger,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 Mar. 2025; https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Staudinger
2. “Hermann Staudinger,” Science History Institute, 20 Mar. 2025; https://www.sciencehistory.org/education/scientific-biographies/hermann-staudinger
3. “Staudinger reaction,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 Mar. 2025; https://en.wikipedia.org/wiki/Staudinger_reaction
4. “Foundations of Polymer Science: Hermann Staudinger and Macromolecules,” American Chemical Society International Historic Chemical Landmarks, 20 Mar. 2025; https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/staudingerpolymerscience.html
5. “Fritz Haber,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 March 2024; https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Haber

受蝠鲼启发的软体机器人

传统上机器人是由刚性硬质材料制成的。然而，软体机器人的开发（利用弹性体、凝胶或硅橡胶等柔性材料设计机器人）极大地扩展了机器人的应用方式，尤其是在仿生学和生物医学领域。例如，受蝠鲼启发设计的软体机器人可以被远程控制或在其底部安装传感器，这让科学家可以在不干扰水生生物的情况下收集数据，用于海洋多样性研究。相较于传统的螺旋桨动力水下航行器，软体机器人的机动性更高，不容易被水生植物缠住，并且造成的湍流也更小。

自然环境中的蝠鲼。照片由 Ishan @seefromthesky 拍摄，通过Unsplash 共享。

借助建模和仿真，软体机器人工程师能够研究蝠鲼机器人的设计，来提高其仿生能力。COMSOL 案例库中的机器人蝠鲼中的离子聚合物-金属复合材料执行器模型展示了一种通过建立模型来研究蝠鲼机器人执行器性能的方法。该模型长约 20 cm，翼展宽约 50 cm，与真实建立的蝠鲼机器人大小相当。该模拟使用 IPMC 执行器为机器人提供动力，通过 收缩和膨胀 多物理场耦合节点对流体环境（如海水下）中的运动做出反应。IPMC 是一种电活性聚合物，常用作在电刺激下能产生较大变形的驱动材料。离子电活性聚合物由离子传输产生的膨胀效应提供动力，通常只需要 1 或 2 V 的驱动电压，就能自然产生弯曲运动。这种材料具有质量轻、可操作性强的特点，并且能够在电刺激下产生拍打运动，而不是能效低下的电力传输，因此是人造肌肉的理想材料。

收缩和膨胀 多物理场耦合节点是 COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本的新增功能。这种耦合对于模拟因物质进入和溶出材料时分别经历的膨胀和收缩尤为有用。在这类模型中，当物质离开材料时会产生收缩，类似于海绵吸水后膨胀而变干后收缩。在本文示例的模型中，这种物质是水合阳离子，它会导致蝠鲼鳍收缩和膨胀从而产生运动。

蝠鲼机器人模型

模拟离子聚合物-金属复合材料

在示例模型中，鳍的两根悬臂梁由三层 IPMC 材料制成，中间层包含容纳移动离子的聚合物。顶层和底层均由一块薄金属板组成，金属板能够导电并形成电压差，使带电粒子上下移动，产生拍打运动。

驱动力由施加在两个金属电极板上的外部电压提供，上部电极施加正弦电压，下部电极接地。鳍片被牢固地固定在梁上，并且可以被动变形。通过测量变形来检测由于运动导致的形状变化程度。在这个示例中，运动由聚合物中水合阳离子浓度变化产生的膨胀引起。IPMC 通过多物理场效应产生力，其中涉及结构变形、质量传输和电流。该模型通过耦合 固体传递 和 固体力学 接口来考虑由膨胀引起的悬臂梁变形，所使用的与位移、浓度和电势相关的本构方程根据热力学原理推导。

IPMC 悬臂梁如何因粒子位置的改变而弯曲、收缩和膨胀的直观展示。

此外，固体中的电荷守恒 功能用于实现离子聚合物悬臂梁所在的固体域电荷守恒，固体传递 接口用于跟踪由化学势梯度驱动的扩散。

蝠鲼的运动

模拟结果表明，两根 IPMC 悬臂梁的移动可以通过电压控制。这项研究的重点是展示当改变输入电压（例如电池电源）时，蝠鲼可以运动，突出展示了两根 IPMC 悬臂梁可以成功地产生均匀的拍打运动。然而，并未对该模型进行扩展来演示蝠鲼如何在水中响应或是否会游泳。

下图左显示了所施加的正弦输入电压（5 V，0.2 Hz），可以看出两根 IPMC 悬臂梁之间存在相位延迟。下图右显示了 IPMC 梁产生的挠曲，可以看出靠近后缘的梁（绿线表示）由于长度较长，变形更为明显。正阳离子在聚合物中的周期性运动导致悬臂梁膨胀而发生周期性弯曲。

左图显示了两个 IPMC 悬臂梁的施加电压（相位差）。右图显示了悬臂梁因膨胀而发生周期性弯曲。

下图显示了沿整个悬臂梁厚度的粒子浓度分布，左侧为梁底部，右侧为梁顶部。从图中可以看出，电极交界处附近的浓度梯度变化很大，这表明阳离子在厚度上的不均匀分布导致悬臂梁膨胀变形而发生周期性弯曲。当一侧粒子浓度较高时，需要更多的空间来容纳，因此材料发生膨胀以尽可能多地容纳它们。

图中显示了阳离子沿每个悬臂梁厚度的分布不均匀，产生浓度梯度，引起悬臂梁膨胀而导致梁弯曲。

下一步

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