如何提高水凝膠驅動器驅動能量轉化效率、提高驅動速度

響應型水凝膠在軟濕驅動器、人工肌肉、醫(yī)療器械等領域具有廣闊的應用前景。水凝膠驅動器一般由響應型水凝膠制備，具有不對稱構筑結構，在電、熱、光、pH 等刺激作用下，會發(fā)生體積或形狀變化。通過對器件結構進行精確設計，可實現(xiàn)簡單的抓取、釋放、行走等動作，但耗時長（一般需要數(shù)分鐘至數(shù)小時）。與工業(yè)中常見的電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動相比，如何提高水凝膠驅動器驅動能量轉化效率、提高驅動速度，是水凝膠驅動器領域亟待解決的關鍵問題。

圖1 （a）雙層水凝膠的結構示意圖，（b）凝膠各層平衡溶脹率隨溫度變化曲線，（c）雙層水凝膠可逆彎曲/伸展圖像

肌肉是典型的柔性生物驅動器，通過收縮和快速伸長而產生強大的爆發(fā)力，實現(xiàn)跳躍等動作。受此啟發(fā)，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員付俊團隊發(fā)展了一種新策略，利用基底對凝膠形變的約束，積累彈性能，并利用界面不穩(wěn)定性實現(xiàn)能量的爆發(fā)性釋放，驅動水凝膠實現(xiàn)可控跳躍。

研究人員制備了粘土交聯(lián)和增強的溫敏雙層水凝膠（圖1a），通過調控材料配比，可調控各層的臨界相容溫度（LCST）（圖1b）。在反復升溫和降溫過程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質差異而發(fā)生可逆變形、卷曲（圖1c）。在此過程中，因溶脹程度差異而導致凝膠內產生的彈性能得以緩慢釋放。

圖2 （a-b）納米復合水凝膠從鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基底上90°剝離的單位寬度力-位移曲線，（c）平均粘附能

研究發(fā)現(xiàn)，納米復合凝膠在多種金屬基底上具有較強的粘附性，與鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基板之間的粘附能可分別達到17.6、12.8、12.8、7.6 J/m2（圖2）。將凝膠粘附在鋁基板上，可承受較大的拉力。在拉伸過程中，隨著凝膠發(fā)生形變，內部不斷積累彈性能；當凝膠內積累的彈性能高于界面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，并在40ms內回彈（圖3）。

圖3 納米復合水凝膠在鋁基板上的粘附與拉伸-回彈

研究人員巧妙地將溫度響應行為與界面粘附特性結合，設計制作了具有棘齒結構的金屬導軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過棘齒結構約束凝膠的形變。在升溫過程中，凝膠發(fā)生不對稱收縮，產生彎曲傾向；而導軌的棘齒結構阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內部彈性能逐漸積累。當彈性能超越界面黏附能，凝膠瞬間脫離導軌，彈性能快速釋放，驅動凝膠跳躍（圖4）。

圖4 溫度驅動水凝膠跳躍

研究表明，基于這一原理，凝膠的跳躍方向由導軌形狀決定，凝膠總是沿著棘齒斜坡斜向上跳。跳躍距離、高度、起跳時間由凝膠的形狀和尺寸決定，尖窄的前足有利于減小流體阻力，提高跳躍距離和高度；寬大的后足則意味著需要較多的彈性能克服較大的凝膠/導軌粘附力，導致起跳晚；薄的凝膠對溫度變化的形變響應快，起跳早。在典型實例中（圖5a），跳躍持續(xù)時間910ms，跳躍距離10.6mm，跳躍高度2.4mm。

圖5 不同構型雙層水凝膠的尺寸示意圖和跳躍圖片

該研究突破了傳統(tǒng)響應型水凝膠的驅動速度受水分子在凝膠網絡內擴散速率制約的問題，揭示了一種基于彈性能儲存和爆發(fā)性釋放實現(xiàn)水凝膠快速可控驅動的新策略，為高性能柔性驅動器的發(fā)展提供了全新的思路和視角。

近日，該成果以Snap-Buckling Motivated Controllable Jumping of Thermo-Responsive Hydrogel Bilayers為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（2018，DOI: 10.1021/acsami.8b16402）。第一作者為副研究員高國榮，通訊作者為付俊。