上海交大陈玉洁/凯斯西储大学曹长勇 Matter 综述：仿生各向异性水凝胶

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生物体可以通过细胞的水合/脱水来调节自身的形状或运动，以响应外部刺激，适应不断变化的环境。此外，软体动物(如章鱼)和尺蠖也可以通过肌肉收缩和舒张来完成复杂的动作。受这些生物的启发，研究人员越来越重视研发仿生驱动器和机器人，旨在提高运动敏捷性的集成度，扩展其对非结构化环境的适应性，并实现高工作/功率密度。水凝胶是动植物体的主要成分之一，是由聚合物交联形成的三维网络。基于其高含水量以及独特的类固体性质，水凝胶材料表现出优异的生物相容性，物理化学性能可调、以及易功能化等特点。近年来，人们将智能仿生概念与水凝胶进行结合，制备出多种可感知外界刺激的刺激响应水凝胶材料，其对外界的响应性一般宏观表现为体积或状态的突变，呈现出明显的相转变行为。然而传统均一体系的水凝胶材料响应程度单一，表现出均质的响应性，无法满足高自由度，多样化的刺激响应需求，进而限制了其在诸多领域中的进一步研究。

在自然界中，金星捕蝇器通过关闭叶片捕获猎物，牵牛花扭曲卷须以实现空间的重新定向，蠕虫经历弯曲/不弯曲的形状变形以向前行走，变色龙感知外界危险实现身体颜色的逐渐改变，这些自然生物的几何形状以及体表肤色的改变主要归因于其内部的组分或结构的各向异性。受这些独特的各向异性结构的启发，近几年不同类型的各向异性水凝胶材料设计和制备取得了重大进展。

近日，上海交通大学材料学院陈玉洁副研究员和美国凯斯西储大学曹长勇副教授在Matter上发表综述文章“Bio-inspired anisotropic hydrogels and their applications in soft actuators and robots”，基于生物界中普适性的各向异性结构角度，系统性地总结了不同类型的仿生各向异性水凝胶的设计策略（图1），探讨了凝胶基驱动器中所采用的各种驱动方式，并讨论了它们在软体驱动器和机器人中的潜在应用。

图1 各向异性水凝胶的设计策略

具有各向异性结构/组分的水凝胶材料在外界刺激下可进行各向异性响应，进而实现针对性的形状改变或者功能变化。作者系统地总结了各向异性水凝胶的设计策略，主要是在于结构（微观结构或者宏观自组装）或者组分（填料或者聚合物链）的各向异性分布。典型的设计和制造策略包括重力诱导、电场诱导、磁场诱导、局部图案化、剪切诱导、聚合物链分布和多层结构，相关代表性的各向异性水凝胶材料以及近几年不同的具有各向异性结构水凝胶所对应的研究体系、聚合方式、力学性能、响应性能、优缺点等也被进一步总结和讨论（表1、2）。

表1 具有不同各向异性结构的典型水凝胶材料

表2 不同各向异性结构设计所对应的典型聚合物主链、聚合物功能、聚合方式、优缺点

随后，从驱动角度来看，有效且高效的驱动和控制是各向异性水凝胶基驱动器和软体机器人在各种应用中充分发挥潜力的关键，目前水凝胶驱动主要涉及到两种类型：主动驱动和被动驱动。主动驱动包括渗透压驱动和弹性势能驱动，是指水凝胶在外界刺激下主动进行分子或结构变化。被动驱动涉及到响应性颗粒驱动和气动/液压驱动，其中水凝胶作为载体，通过气动/液压或响应性颗粒等主动驱动源，被动地面对外部刺激并进行变形。典型的具有不同驱动和控制方式的水凝胶驱动器如表3所示。

表3 典型的具有不同驱动和控制方式的水凝胶驱动器

进一步，基于水凝胶内部各向异性结构以及不同驱动控制方式的启发，各种相对应的软体驱动器或者机器人的应用，如软体抓手、走/爬行机器人、跳跃/游泳机器人，多功能驱动器（自传感、荧光、自修复等）等也在文章中得到详细的总结和讨论（图5，6）。

图5 不同类型的各向异性水凝胶驱动器

图6 多功能水凝胶驱动器

总体而言，各向异性水凝胶材料的研究正在迅速发展，但也面临着许多重大挑战。例如水凝胶自身力学性能不足、失水失稳、可控性不足等问题。然而，通过跨学科合作，比如利用计算材料科学、化学合成和先进制造方面的专业知识可以有效对这些问题进行相应解决。通过结合这些不同领域的知识，研究人员可以有效地探索各向异性驱动水凝胶的巨大潜力和应用。在解决全球问题方面，这种合作可以促进将概念/想法转化为有形的商业化产品，为包括医药、能源、可持续发展和制造业在内的各个领域的现实挑战提供解决方案。

论文信息：Bio-inspired anisotropic hydrogels and their applications in soft actuators and robots

Zhen Chen, Huigang Wang, Yunteng Cao, Yujie Chen*, Ozan Akkus, Hezhou Liu, 

Changyong (Chase) Cao*

Matter

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.011

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