中科院宁波材料所陈涛研究员/张佳玮研究员在快速响应水凝胶驱动器方面获得进展
智能响应水凝胶驱动器因其能在外界的刺激下发生形态的转变,而受到国内外学者的广泛关注。近年来,受动植物中各种应激行为的启发,研究人员通过对水凝胶结构的设计,制备了一系列具有多样功能以及程序化变形能力的水凝胶驱动器,并将其逐步应用于软体机器人领域。然而,受到水凝胶的溶胀/去溶胀速度的限制,具有较大尺寸的水凝胶驱动器的变形过程往往较为缓慢,这极大地限制了其在软体机器人领域的应用。因此,如何通过水凝胶的结构设计来提高水凝胶驱动器的变形速度,成为了亟待解决的问题。
Figure 1. 超快温度响应凝胶海绵的制备
针对这一问题,中科院宁波材料所陈涛研究员/张佳玮研究员基于对海绵结构的观察与模仿,设计了一种具有海绵状多孔结构的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)水凝胶。在制备过程中,水凝胶预聚液首先在-30 ℃的环境下形成冰晶,由于冰晶的存在,单体被排挤出冰晶区域。随后,将水凝胶预聚液的温度升至-5 ℃,此时冰晶外的单体会聚合形成水凝胶。最后,再次提升温度至室温,冰晶会逐步融化从而形成具有海绵状多孔结构的PNIPAm水凝胶。得益于水凝胶中互通的大孔道结构,在凝胶相变时,水凝胶内部的水会因毛细作用而快速地从内部孔道被排出,从而极大地增强其变形速率。在40 ℃热水环境下,PNIPAm凝胶海绵能在7 s内收缩至原来体积的40 %,与传统水凝胶驱动器相比,其驱动速度提升了一个数量级。基于其超快的变形能力,PNIPAm凝胶海绵驱动器能快速地捕捉运动中的物体,并且展示出其在生命救援领域的广阔应用前景。此外,通过引入光热转换组分Fe₃O₄纳米粒子,PNIPAm凝胶海绵还可实现远程控制的一维/二维定向运动,这极大地推动了水凝胶驱动器在构建智能软体机器人方面的进展。
Figure 2. 温度响应凝胶海绵驱动器快速抓取运动物体
相关研究论文以题为Stimuli-responsive hydrogel sponge for ultrafast responsive actuator发表在科爱旗下的新刊Supramolecular Materials上。通讯作者是中科院宁波材料所陈涛研究员和张佳玮研究员。这项工作得到了国家重点研发计划(2018YFB1105100)、国家自然科学基金 (51873223, 52073295),中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)的支持。
原文链接:
Stimuli-responsive hydrogel sponge for ultrafast responsive actuator
Yukun Jian,Baoyi Wu,Xuxu Yang,Yu Peng,Dachuan Zhang,Yang Yang,Huiyu Qiu,Huanhuan Lu,Jiawei Zhang,Tao Chen
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667240521000027
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