近年來仿生各向異性水凝膠驅(qū)動(dòng)器相關(guān)研究的最新進(jìn)展

高分子水凝膠驅(qū)動(dòng)器是一類能夠?qū)ν饨绱碳ぃü狻?、化學(xué)、電等）產(chǎn)生可逆形變或者體積改變的新型智能材料。作為一類與生物組織相似的“軟、濕”態(tài)材料，水凝膠驅(qū)動(dòng)器在軟體機(jī)器人、人工肌肉、人造閥門等領(lǐng)域存在巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖1 多功能仿生水凝膠驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)建

為此，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(tuán)隊(duì)研究員陳濤和張佳瑋開展了一系列工作。通過構(gòu)筑非對(duì)稱性各向異性水凝膠及其復(fù)合體系，實(shí)現(xiàn)了仿生水凝膠驅(qū)動(dòng)器的多功能化（如圖1）。科研人員通過選擇性局部還原氧化石墨烯-聚N-異丙基丙烯酰胺，得到了能在pH、溫度、近紅外、離子強(qiáng)度等多種外界刺激下進(jìn)行復(fù)雜三維形變的“仿生抓手”（Adv. Funct. Mater.2016, 26, 8670）；在智能驅(qū)動(dòng)和智能變色方面長期的研究基礎(chǔ)上，他們開發(fā)了一種具有3D復(fù)雜驅(qū)動(dòng)-智能變色雙功能協(xié)同的新型智能仿生水凝膠（Adv. Funct. Mater.2018, 28, 1704568）；為克服水凝膠驅(qū)動(dòng)器難以脫離水環(huán)境進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的缺陷，通過雙層水凝膠內(nèi)部水循環(huán)體系的構(gòu)筑，成功實(shí)現(xiàn)了可在水、油、空氣等多種環(huán)境中驅(qū)動(dòng)（J. Mater. Chem. C2018, 6, 1320）；此外，還把驅(qū)動(dòng)和形狀記憶結(jié)合起來，以此作為形狀記憶材料的受力來源，實(shí)現(xiàn)材料形變的可控調(diào)節(jié)（Chem. Commun.2018, 54, 1229）。

圖2 仿生水凝膠驅(qū)動(dòng)器的各向異性結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及其潛在應(yīng)用

基于上述系列研究成果及近幾年在仿生各向異性水凝膠驅(qū)動(dòng)器方面的研究經(jīng)驗(yàn)，研究人員近期發(fā)表綜述文章（Adv. Sci.,2018, 1801584），系統(tǒng)介紹了近年來仿生各向異性水凝膠驅(qū)動(dòng)器相關(guān)研究的最新進(jìn)展。其中，對(duì)各向異性結(jié)構(gòu)，包括雙層結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、圖案化結(jié)構(gòu)以及取向結(jié)構(gòu)等多種非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法及其相應(yīng)的典型案例做了細(xì)致梳理；總結(jié)概括了水凝膠驅(qū)動(dòng)器在執(zhí)行器、行走器/游泳器、人工閥門等仿生器件方面可能存在的應(yīng)用；此外，通過熒光性能、形狀記憶功能、自修復(fù)等的引入，多功能水凝膠驅(qū)動(dòng)器也成為仿生各向異性水凝膠驅(qū)動(dòng)器一個(gè)重要的研究內(nèi)容。最后，研究人員討論了這類材料現(xiàn)存的挑戰(zhàn)及其未來的發(fā)展方向，包括如何精確控制形變、如何提高水凝膠強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用、如何提高響應(yīng)速度等。相信在不久的將來，仿生各向異性水凝膠驅(qū)動(dòng)器將取得蓬勃的發(fā)展。