浙大郑强、吴子良团队《Acc. Chem. Res.》封面综述：可控变形水凝胶及其软驱动器

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动植物的复杂变形和运动能力对其生存与进化至关重要，为智能变形材料、软机器人的设计开发提供了灵感和范例。水凝胶与生物软组织具有高度相似性、多种智能响应性，是构筑软驱动器和软机器人的理想材料。基于对生物体系工作原理的认识以及水凝胶加工技术的突破，该领域在近十年得到了快速发展。浙江大学郑强、吴子良团队应邀在《Accounts of Chemical Research》上发表了题为“Programmable morphing hydrogels for soft actuators and robots: from structure Designs to Active Functions”的综述论文并被选为封面文章，总结了近年来在水凝胶可控变形与凝胶软体驱动器、软机器人领域的研究进展。

软驱动器、软机器人等器件功能的实现，与高分子软材料可控变形密切相关。通过构筑平面、厚度方向的梯度结构，可以使水凝胶在外界刺激下产生非均一的体积溶胀或收缩，进而产生内部应力，发生弯曲、折叠、扭转、屈曲等模式的可控变形。通过多个单元的叠加，可以形成复杂的三维构型。平面梯度结构引起的面外屈曲变形具有双稳态的特性，为水凝胶实现多稳态构型提供了新的途径。浙大郑强、吴子良团队采用局部预溶胀的方法调控多个单元的屈曲方向，使同一水凝胶在相同条件下获得了多种不同的构型。在含有周期性平面梯度结构的水凝胶中，相邻单元的屈曲变形相互影响，呈现协同效应，从而自发形成周期性起伏的构型。

 

图1. 生物组织的可控变形及运动功能。

图2. 含有平面梯度结构的水凝胶的协同变形与多稳态变形。

可变形水凝胶广泛应用于医疗器械、软驱动器等领域。然而，由于水凝胶力学性能较差，驱动器的输出力比较有限，并且驱动速度较慢。该团队通过3D打印高强水凝胶，制备了兼具输出力大和响应快速的软驱动器；设计了高强度水凝胶管状抓取器，可牢固抓取不同形状的物体。已有的水凝胶驱动器大多通过弯曲变形实现功能，已发展的其他变形模式为软驱动器的设计与应用提供了空间。

 
图3.水凝胶软驱动器。

可变形水凝胶是设计具有运动功能的软机器人的理想体系，其难点在于如何将水凝胶的可逆弯曲、伸缩变形转化为连续、定向运动。采用周期性环境刺激、使用棘板控制单向运动、设计非对称几何结构是实现水凝胶定向运动的常用策略，但运动方向单一，无法实现反向运动。该团队采用动态光驱动水凝胶局部变形并同步调节与基板的摩擦力，实现了爬行、转向、蠕动等运动过程及方向的动态调控。

图4.可“行走”的水凝胶的软体机器人。

可变形水凝胶在生物医学、柔性电子等领域也展现出了巨大的应用潜力。但是，水凝胶体系与生物体的智能性相比仍存在巨大差距。此外，其应用领域仍需进一步拓展，还须考虑安全性、稳定性等问题。

该文章发表于Accounts of Chemical Research，该工作得到了国家自然科学基金委的资助。

文章信息：

Dejin Jiao, Qing Li Zhu, Chen Yu Li, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Programmable Morphing Hydrogels for Soft Actuators and Robots: From Structure Designs to Active Functions, Acc. Chem. Res. 2022, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00046.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00046

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