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2秒內實現70%體積快速收縮！哈工大“光響應水凝膠”有望用于軟體機器人

文章來源：賢集網更新時間：2023-10-07 15:11:43

自然界中廣泛存在能夠應對不同復雜情況的刺激響應植物，植物結構的豐富性和多樣性可以作為研究人員的重要靈感來源，并可能作為開發新型功能材料的基礎。

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

什么是水凝膠？

我們小時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。其實水晶寶寶是一種水凝膠，水凝膠的保水性非常強，因此，當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擠出來，有時一用力，還會直接弄壞水晶寶寶。

水凝膠（Hydrogel）是一種以水為分散介質的材料，通常具有交聯網狀結構，能夠吸收大量的水（水含量可高達99%），堪稱“相當水”的材料。水凝膠具有良好的柔性，能保持一定的形狀，也能通過物理化學方法進行修飾以實現多樣功能，這些特點使其在組織培養、傷口敷料、人造肌肉、軟體機器人、可穿戴器件等方面具有廣泛的應用。“水凝膠”一詞在文獻中首次出現是在1894年。強韌水凝膠的創新發展極大地擴展了該材料在各種領域的潛在應用，包括軟體機器人，人造器官，再生醫學等。

20世紀40年代前，人們一直都在使用橡膠，它的應用十分廣泛。然而，在第二次世界大戰期間，美國政府不得不尋找天然橡膠的替代品，因為大部分天然橡膠的產地都位于戰火紛飛的太平洋戰區。由此，化學家們開始研究各種聚合物的性質，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用于人們的生活中，與聚合物很相似的水凝膠也進入人們的生活。

在戰爭時期，人們就開始將水凝膠用作阻燃劑；20世紀60年代，各家各戶都開始使用一次性尿布；同時，水凝膠也開始被應用到醫學領域；從20世紀70年代開始，具有特殊性能的水凝膠開始被注意，比如：PH(PH值體現酸堿度)敏感型水凝膠會根據環境的酸堿性不同，體積發生不同程度的溶脹或者收縮。這些特殊的性能導致科學家對水凝膠更感興趣了，關于水凝膠的研究也越來越深入。

起初，科學家們曾將聚合物和凝膠歸類為一種物質，經常互換著使用兩個名詞。不過，雖然凝膠和聚合物確實十分相像，兩者還是有很大的區別的。從化學結構上來看，高吸水聚合物是分子中含有親水性基團和疏水性基團的交聯型高分子。這兩個基團正好位于一條長鏈的兩端，當高吸水聚合物遇到水分子時，親水端會歡天喜地地迎上去，把水分子團團圍住，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，水凝膠的應用更加廣泛。

2秒內實現70%的體積快速收縮

基于仿生學的概念，研究人員設計了許多具有刺激響應能力的軟體機器人，并擴展了它們在各個領域的應用。準確地說，多功能水凝膠的好處受到了相當多的關注，如其優異的生物相容性、富含水分和可在外部刺激（溫度、光、pH 等）下啟動，可應用于人造肌肉、軟體機器人和智能控制器。

近紅外（NIR）光響應水凝膠具有高精度、遠程控制和優異的生物相容性等優點，被廣泛應用于軟仿生執行器。水分子擴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速度仍然是一個嚴峻的挑戰。

來自哈爾濱工業大學的學者通過定向冷凍方法設計了一種各向異性光響應導電水凝膠。由于基于 MXene 的 PNIPAM/MXene 定向 (PMD) 水凝膠的各向異性，其機械性能和導電性在特定方向上得到增強。同時，在內部定向通道的存在和毛細管力的輔助下，PMD水凝膠在光照射下可在2 s內實現70%的體積消溶脹，進一步構建具有快速響應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，兼具響應速度快和驅動強度高的優勢，這使得水凝膠致動器在遠程控制、微流量閥、軟體機器人等方面具有重要的應用意義。

研究團隊采用定向凍結法制備了具有有序的內部取向結構的各向異性MXene水凝膠，通過掃描電鏡觀察水凝膠的結構，具備有序的取向結構。對MXene水凝膠的各向異性進行研究，發現其力學性能遠遠大于各向同性水凝膠，并且平行于網絡方向的力學性能和導電率均優于垂直方向，對其不同方向的力學性能進行有限元模擬，模擬結果與實驗結果一致。

相關文章以“Bio-Inspired Stimuli-Responsive Ti3C2Tx/PNIPAM Anisotropic Hydrogels for High-Performance Actuators”標題發表在Advanced Functional Materials。

有望用于多功能智能軟體機器人

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

對于生物應用，應考慮水凝膠和周圍組織之間的機械匹配，以最大限度地減少變形、刺激、免疫反應和電解耦。然而，現有的人工合成水凝膠的強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、血管等承重結締組織，拉伸強度為0.1-200 MPa，彈性模量為0.1-3 GPa。

研究團隊利用MXene復合水凝膠的各向異性結構和光熱驅動的優勢，各向異性水凝膠驅動器實現了可控的光驅動。含羞草的外部刺激后，葉枕的細胞質溶液迅速直接輸送到葉和莖上，細胞收縮導致葉閉合。受含羞草特性的啟發，MXene復合水凝膠中的定向結構促使其在光刺激后能夠在定向孔隙通道中輸送水分，在內部定向通道的存在和毛細管力的輔助下，水分子從內部迅速排出，各向異性水凝膠在光照射下可以在2秒內實現70%的體積快速收縮，同時可以構建具有快速響應性能的水凝膠驅動器。

MXene復合水凝膠采用定向冷凍方法構筑，在特定方向上具有優異的電化學和機械性能。同時，構造具有快速響應性能的水凝膠驅動器，可以執行快速準確的遠程控制。水凝膠的快速響應性和高驅動強度使其在智能軟致動器中具有較大的應用前景，并進一步為多功能智能軟體機器人提供了新的視角。

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