軟驅(qū)動器 、軟 機(jī)器人 等器件 功能 的實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)構(gòu)型 提供了新的途徑。浙大鄭強(qiáng)、 吳子良團(tuán)隊(duì) 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(yùn)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(tuán)隊(duì)通過 3D 打印高強(qiáng)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(jì) 了 高強(qiáng)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(shí)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(jì)與 應(yīng)用提供了空間。

可變形水凝膠是設(shè)計(jì)具有運(yùn)動功能的軟 機(jī)器人 的理想體系，其難點(diǎn)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(yùn)動。 采用周期性環(huán)境刺激、使用 棘板 控制單向運(yùn)動、 設(shè)計(jì) 非 對稱 幾何 結(jié)構(gòu) 是實(shí)現(xiàn)水凝膠定向運(yùn)動的常用策略，但運(yùn)動方向單一，無法實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動。 該團(tuán)隊(duì) 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(shí)現(xiàn)了爬行、轉(zhuǎn)向、蠕動等運(yùn)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(jìn)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

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