【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】智能變形水凝膠作為一種軟、濕態(tài)智能材料，能在外界環(huán)境的刺激下將自身化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，同時伴隨體積及形態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此一直以來被認為是理解與驗證生物變形的理想平臺。經(jīng)過多年的發(fā)展，智能變形水凝膠已然能模仿自然界中的大部分變形行為，并展現(xiàn)出多刺激響應(yīng)、可編程、程序化形態(tài)轉(zhuǎn)變等諸多特點。然而，自然界的生命體不僅能改變自身形態(tài)，還可將這種原位的變形高效地轉(zhuǎn)化為運動，從而滿足自身示警、捕食及避險等需求。因此如何模仿生命體的運動行為，并進一步使智能變形水凝膠實現(xiàn)越野運動依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員長期從事功能與智能高分子水凝膠及其在仿生變形、變色及運動等方面的前沿探索研究。近期，該團隊與浙江大學(xué)、之江實驗室的鄭音飛教授合作，基于前期提出的界面擴散聚合(IDP)策略(CCS Chem. 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201942)，成功編程智能高分子水凝膠的各向異性結(jié)構(gòu)，從而模仿尺蠖的爬行行為，實現(xiàn)了智能變形水凝膠全地形的越野爬行行為(圖1)。
 

　　為了能實現(xiàn)高效的變形-運動轉(zhuǎn)變，研究人員利用冰模板的方法，制備了具有超快溫度響應(yīng)的聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)凝膠海綿。其可在5s內(nèi)收縮到自身體積的40%，并且由其制備而得的雙層水凝膠驅(qū)動器展示出88°/s的快速彎曲變形(圖2)。值得一提的是，與傳統(tǒng)的智能變形材料通過減小自身厚度來加快響應(yīng)速度的方式不同，即使該凝膠厚度增加到2mm，其驅(qū)動速度也不會有較大損失。因此，在保證凝膠驅(qū)動變形速度的同時，PNIPAm凝膠海綿能具有更大的體積從而能將自身更多的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。
 

　　進一步地，為了增強凝膠變形的可控性，研究人員基于凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計以及IDP策略，通過在PNIPAm凝膠海綿的表面定制化地生長含有Fe3O4納米顆粒的光熱凝膠，使得所制備的雙層水凝膠驅(qū)動器能在近紅外(NIR)光驅(qū)動下產(chǎn)生向光性及自持振動行為(圖3)。除此之外，研究人員還可通過IDP策略，將制備好的雙層水凝膠驅(qū)動器切斷并重新排序組裝，從而實現(xiàn)在NIR光下的多自由度程序化變形。
 

　　基于凝膠的程序化變形，這種雙層的水凝膠驅(qū)動器能通過模仿自然界中尺蠖爬行的過程，利用時空調(diào)控的原位變形與環(huán)境的交互來實現(xiàn)高效的爬行運動。具體而言，一束NIR光首先照射的凝膠的頭部，由于Fe3O4納米顆粒的光熱作用與PNIPAm凝膠海綿的熱響應(yīng)形變的協(xié)同作用，凝膠頭部快速彎曲變形，并與粗糙基底形成卯榫結(jié)構(gòu)增大其與基底的摩擦力。而后，NIR逐步移向凝膠中部，并不斷觸發(fā)所經(jīng)凝膠的熱彎曲收縮，使得凝膠整體收縮前進。當(dāng)NIR移動到凝膠尾部時，對稱相反的結(jié)構(gòu)使得凝膠尾部凝膠向上彎曲從而抬起凝膠頭部，使得其與基底的卯榫結(jié)構(gòu)打開，解除錨定作用。最后，當(dāng)移除NIR光后，頭部的凝膠會快速回復(fù)到初始狀態(tài)從而觸發(fā)下一次循環(huán)。因此水凝膠也可在這種動態(tài)的卯榫錨定模式下，實現(xiàn)持續(xù)地爬行過程(圖4)。值得一提的是，利用這種動態(tài)的卯榫錨定模式，該雙層水凝膠驅(qū)動器可以適應(yīng)多種粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上實現(xiàn)快速爬行。
 

　　此外，得益于IDP策略對凝膠結(jié)構(gòu)的編程，雙層水凝膠驅(qū)動器可進一步仿生進化出二維的六觸手形態(tài)，通過水凝膠觸手之間的互相配合實現(xiàn)快速的二維爬行。并且通過觸手的程序化變形，水凝膠還可在爬行過程中不斷調(diào)整自身體積，從而適應(yīng)地形的變化，并成功穿越隘口，山谷以及山脊等一系列復(fù)雜地形(圖5)。
 

　　該工作近期以題為“The Dynamic Mortise-and-Tenon Interlock Assists Hydrated Soft Robots Toward Off-Road Locomotion”的論文在線發(fā)表在Science合作期刊Research(DOI: org/10.34133/research.0015)上。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFB3200071)、浙江省自然科學(xué)基金(LD22E050008，LD22A020002)、浙江省重點研發(fā)計劃(2022C01002)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會(2019297)、浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生重點科技項目、國家衛(wèi)生健康委員會科研基金(WKJ-ZJ-2009)和國家重大科研儀器開發(fā)項目(81827804)等項目的支持。
 

圖1 水凝膠的仿生進化及越野爬行
 

圖2 具有快速溫敏驅(qū)動的凝膠海綿
 

圖3 NIR下光熱水凝膠驅(qū)動器的程序化變形過程
 

圖4 仿尺蠖多地形快速爬行
 

圖5 水凝膠二維越野爬行