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2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)70%體積快速收縮！哈工大“光響應(yīng)水凝膠”有望用于軟體機(jī)器人

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-10-07 15:11:43

自然界中廣泛存在能夠應(yīng)對不同復(fù)雜情況的刺激響應(yīng)植物，植物結(jié)構(gòu)的豐富性和多樣性可以作為研究人員的重要靈感來源，并可能作為開發(fā)新型功能材料的基礎(chǔ)。

例如，具有特殊功能化的植物，如金星捕蠅器和含羞草，葉子在刺激時(shí)能夠迅速閉合，可以為光響應(yīng)致動器的設(shè)計(jì)提供豐富的靈感。溫敏水凝膠由于其具有良好的生物相容性，響應(yīng)溫度接近于人體溫度，被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建水凝膠驅(qū)動器。

什么是水凝膠？

我們小時(shí)候都玩過一種泡在水里就會變大的珠子，這種珠子一般叫做水晶寶寶或者水精靈。其實(shí)水晶寶寶是一種水凝膠，水凝膠的保水性非常強(qiáng)，因此，當(dāng)干癟的水晶寶寶吸收變大以后，我們很難把水晶寶寶里面的水?dāng)D出來，有時(shí)一用力，還會直接弄壞水晶寶寶。

水凝膠（Hydrogel）是一種以水為分散介質(zhì)的材料，通常具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠吸收大量的水（水含量可高達(dá)99%），堪稱“相當(dāng)水”的材料。水凝膠具有良好的柔性，能保持一定的形狀，也能通過物理化學(xué)方法進(jìn)行修飾以實(shí)現(xiàn)多樣功能，這些特點(diǎn)使其在組織培養(yǎng)、傷口敷料、人造肌肉、軟體機(jī)器人、可穿戴器件等方面具有廣泛的應(yīng)用。“水凝膠”一詞在文獻(xiàn)中首次出現(xiàn)是在1894年。強(qiáng)韌水凝膠的創(chuàng)新發(fā)展極大地?cái)U(kuò)展了該材料在各種領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，包括軟體機(jī)器人，人造器官，再生醫(yī)學(xué)等。

20世紀(jì)40年代前，人們一直都在使用橡膠，它的應(yīng)用十分廣泛。然而，在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國政府不得不尋找天然橡膠的替代品，因?yàn)榇蟛糠痔烊幌鹉z的產(chǎn)地都位于戰(zhàn)火紛飛的太平洋戰(zhàn)區(qū)。由此，化學(xué)家們開始研究各種聚合物的性質(zhì)，最終，除了找到了丙烯酸酯合成橡膠的方法以外，各種聚合物也開始應(yīng)用于人們的生活中，與聚合物很相似的水凝膠也進(jìn)入人們的生活。

在戰(zhàn)爭時(shí)期，人們就開始將水凝膠用作阻燃劑；20世紀(jì)60年代，各家各戶都開始使用一次性尿布；同時(shí)，水凝膠也開始被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；從20世紀(jì)70年代開始，具有特殊性能的水凝膠開始被注意，比如：PH(PH值體現(xiàn)酸堿度)敏感型水凝膠會根據(jù)環(huán)境的酸堿性不同，體積發(fā)生不同程度的溶脹或者收縮。這些特殊的性能導(dǎo)致科學(xué)家對水凝膠更感興趣了，關(guān)于水凝膠的研究也越來越深入。

起初，科學(xué)家們曾將聚合物和凝膠歸類為一種物質(zhì)，經(jīng)常互換著使用兩個名詞。不過，雖然凝膠和聚合物確實(shí)十分相像，兩者還是有很大的區(qū)別的。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來看，高吸水聚合物是分子中含有親水性基團(tuán)和疏水性基團(tuán)的交聯(lián)型高分子。這兩個基團(tuán)正好位于一條長鏈的兩端，當(dāng)高吸水聚合物遇到水分子時(shí)，親水端會歡天喜地地迎上去，把水分子團(tuán)團(tuán)圍住，而疏水端會“別過頭”去，在外面形成一圈屏障，水分子就這樣被包圍在聚合物分子里，很難出去，形成了水凝膠。而大多數(shù)種類的聚合物，比如：硫化橡膠，它們整個分子都是疏水的，它們不會吸收水分、膨脹。因此，在某些方面，水凝膠的應(yīng)用更加廣泛。

2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)70%的體積快速收縮

基于仿生學(xué)的概念，研究人員設(shè)計(jì)了許多具有刺激響應(yīng)能力的軟體機(jī)器人，并擴(kuò)展了它們在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。準(zhǔn)確地說，多功能水凝膠的好處受到了相當(dāng)多的關(guān)注，如其優(yōu)異的生物相容性、富含水分和可在外部刺激（溫度、光、pH 等）下啟動，可應(yīng)用于人造肌肉、軟體機(jī)器人和智能控制器。

近紅外（NIR）光響應(yīng)水凝膠具有高精度、遠(yuǎn)程控制和優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軟仿生執(zhí)行器。水分子擴(kuò)散的過程可以直接影響水凝膠的變形。因此，提高水凝膠致動器的響應(yīng)速度仍然是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者通過定向冷凍方法設(shè)計(jì)了一種各向異性光響應(yīng)導(dǎo)電水凝膠。由于基于 MXene 的 PNIPAM/MXene 定向 (PMD) 水凝膠的各向異性，其機(jī)械性能和導(dǎo)電性在特定方向上得到增強(qiáng)。同時(shí)，在內(nèi)部定向通道的存在和毛細(xì)管力的輔助下，PMD水凝膠在光照射下可在2 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)70%的體積消溶脹，進(jìn)一步構(gòu)建具有快速響應(yīng)性能的水凝膠致動器。此外，水凝膠致動器可以將自身重量40倍的物體舉起6mm的高度，兼具響應(yīng)速度快和驅(qū)動強(qiáng)度高的優(yōu)勢，這使得水凝膠致動器在遠(yuǎn)程控制、微流量閥、軟體機(jī)器人等方面具有重要的應(yīng)用意義。

研究團(tuán)隊(duì)采用定向凍結(jié)法制備了具有有序的內(nèi)部取向結(jié)構(gòu)的各向異性MXene水凝膠，通過掃描電鏡觀察水凝膠的結(jié)構(gòu)，具備有序的取向結(jié)構(gòu)。對MXene水凝膠的各向異性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各向同性水凝膠，并且平行于網(wǎng)絡(luò)方向的力學(xué)性能和導(dǎo)電率均優(yōu)于垂直方向，對其不同方向的力學(xué)性能進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

相關(guān)文章以“Bio-Inspired Stimuli-Responsive Ti3C2Tx/PNIPAM Anisotropic Hydrogels for High-Performance Actuators”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

有望用于多功能智能軟體機(jī)器人

與金屬、陶瓷或典型的塑料不同，水凝膠是半固態(tài)的，含水量高。由于水凝膠具有普遍的粘彈性、可塑性和離子導(dǎo)電性，它們可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如人造生物組織、軟機(jī)器人、生物電子的柔性骨干、導(dǎo)電膜和儲能裝置(如電池)的固體凝膠電解質(zhì)。

對于生物應(yīng)用，應(yīng)考慮水凝膠和周圍組織之間的機(jī)械匹配，以最大限度地減少變形、刺激、免疫反應(yīng)和電解耦。然而，現(xiàn)有的人工合成水凝膠的強(qiáng)度和剛度仍然明顯低于幾種生物組織，特別是韌帶、肌腱、軟骨、血管等承重結(jié)締組織，拉伸強(qiáng)度為0.1-200 MPa，彈性模量為0.1-3 GPa。

研究團(tuán)隊(duì)利用MXene復(fù)合水凝膠的各向異性結(jié)構(gòu)和光熱驅(qū)動的優(yōu)勢，各向異性水凝膠驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了可控的光驅(qū)動。含羞草的外部刺激后，葉枕的細(xì)胞質(zhì)溶液迅速直接輸送到葉和莖上，細(xì)胞收縮導(dǎo)致葉閉合。受含羞草特性的啟發(fā)，MXene復(fù)合水凝膠中的定向結(jié)構(gòu)促使其在光刺激后能夠在定向孔隙通道中輸送水分，在內(nèi)部定向通道的存在和毛細(xì)管力的輔助下，水分子從內(nèi)部迅速排出，各向異性水凝膠在光照射下可以在2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)70%的體積快速收縮，同時(shí)可以構(gòu)建具有快速響應(yīng)性能的水凝膠驅(qū)動器。

MXene復(fù)合水凝膠采用定向冷凍方法構(gòu)筑，在特定方向上具有優(yōu)異的電化學(xué)和機(jī)械性能。同時(shí)，構(gòu)造具有快速響應(yīng)性能的水凝膠驅(qū)動器，可以執(zhí)行快速準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程控制。水凝膠的快速響應(yīng)性和高驅(qū)動強(qiáng)度使其在智能軟致動器中具有較大的應(yīng)用前景，并進(jìn)一步為多功能智能軟體機(jī)器人提供了新的視角。

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