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  動植物的復(fù)雜變形和運動能力對其生存與進化至關(guān)重要，為智能變形材料、軟機器人的設(shè)計開發(fā)提供了靈感和范例。水凝膠與生物軟組織具有高度相似性、多種智能響應(yīng)性，是構(gòu)筑軟驅(qū)動器和軟機器人的理想材料。基于對生物體系工作原理的認識以及水凝膠加工技術(shù)的突破，該領(lǐng)域在近十年得到了快速發(fā)展。浙江大學(xué)鄭強、吳子良團隊應(yīng)邀在《Accounts of Chemical Research》上發(fā)表了題為“Programmable morphing hydrogels for soft actuators and robots: from structure Designs to Active Functions”的綜述論文并被選為封面文章，總結(jié)了近年來在水凝膠可控變形與凝膠軟體驅(qū)動器、軟機器人領(lǐng)域的研究進展。

  軟驅(qū)動器、軟機器人等器件功能的實現(xiàn)，與高分子軟材料可控變形密切相關(guān)。通過構(gòu)筑平面、厚度方向的梯度結(jié)構(gòu)，可以使水凝膠在外界刺激下產(chǎn)生非均一的體積溶脹或收縮，進而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，發(fā)生彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、屈曲等模式的可控變形。通過多個單元的疊加，可以形成復(fù)雜的三維構(gòu)型。平面梯度結(jié)構(gòu)引起的面外屈曲變形具有雙穩(wěn)態(tài)的特性，為水凝膠實現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)構(gòu)型提供了新的途徑。浙大鄭強、吳子良團隊采用局部預(yù)溶脹的方法調(diào)控多個單元的屈曲方向，使同一水凝膠在相同條件下獲得了多種不同的構(gòu)型。在含有周期性平面梯度結(jié)構(gòu)的水凝膠中，相鄰單元的屈曲變形相互影響，呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，從而自發(fā)形成周期性起伏的構(gòu)型。

圖1. 生物組織的可控變形及運動功能。

圖2. 含有平面梯度結(jié)構(gòu)的水凝膠的協(xié)同變形與多穩(wěn)態(tài)變形。

  可變形水凝膠廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、軟驅(qū)動器等領(lǐng)域。然而，由于水凝膠力學(xué)性能較差，驅(qū)動器的輸出力比較有限，并且驅(qū)動速度較慢。該團隊通過3D打印高強水凝膠，制備了兼具輸出力大和響應(yīng)快速的軟驅(qū)動器；設(shè)計了高強度水凝膠管狀抓取器，可牢固抓取不同形狀的物體。已有的水凝膠驅(qū)動器大多通過彎曲變形實現(xiàn)功能，已發(fā)展的其他變形模式為軟驅(qū)動器的設(shè)計與應(yīng)用提供了空間。

  可變形水凝膠是設(shè)計具有運動功能的軟機器人的理想體系，其難點在于如何將水凝膠的可逆彎曲、伸縮變形轉(zhuǎn)化為連續(xù)、定向運動。采用周期性環(huán)境刺激、使用棘板控制單向運動、設(shè)計非對稱幾何結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)水凝膠定向運動的常用策略，但運動方向單一，無法實現(xiàn)反向運動。該團隊采用動態(tài)光驅(qū)動水凝膠局部變形并同步調(diào)節(jié)與基板的摩擦力，實現(xiàn)了爬行、轉(zhuǎn)向、蠕動等運動過程及方向的動態(tài)調(diào)控。

  可變形水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子等領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。但是，水凝膠體系與生物體的智能性相比仍存在巨大差距。此外，其應(yīng)用領(lǐng)域仍需進一步拓展，還須考慮安全性、穩(wěn)定性等問題。

  該文章發(fā)表于Accounts of Chemical Research，該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的資助。

  文章信息：

  Dejin Jiao, Qing Li Zhu, Chen Yu Li, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Programmable Morphing Hydrogels for Soft Actuators and Robots: From Structure Designs to Active Functions, Acc. Chem. Res. 2022, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00046.

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00046