形状记忆水凝胶材料的形变存储功能和软湿特性使其在柔性设备和生物医学领域具有重要应用前景。常见的热致形状记忆材料可以在低温下储存临时形状而在高温下回复初始形状。冷致形状记忆材料则具有相反的形状存储方式，是热致形状记忆材料的重要补充，在耐热器件、温度传感等领域具有特殊应用。近日，天津工业大学张佳玮教授和宁波大学赵传壮教授等人合作研究了一种基于冷致形状记忆水凝胶的超强可编程人工肌肉。该材料由聚丙烯酸水凝胶和醋酸钙络合而成，在常温下处于柔软状态可以被编辑形状，加热至70 °C时通过相分离产生玻璃态微区而发生硬化，这一性质被用于固定临时形状。再次将此材料置于低温状态，材料发生软化从而回复初始形状（图1）。
图1 具有冷诱导形状回复性能的聚丙烯酸-醋酸钙复合水凝胶的形状记忆示意图。改变高温处理的时间可以控制该材料的相分离的程度，从而控制材料在低温中的软化速率。利用这一特点，研究人员设计了分步形变的水凝胶弹簧（图2）。通过对每一个弹簧施加不同的热处理时间，当水凝胶弹簧被转移到冷水中时，每个折叠/螺旋依次展开。研究人员还设计了分步形变的水凝胶挂钩，不同热处理时间的挂钩先后展开从而分步释放物体。这些结果表明通过热处理时间对形状记忆水凝胶的形变过程进行编辑的可行性，有助于拓展智能高分子水凝胶在传感和控制等领域的应用。图2 聚丙烯酸-醋酸钙复合水凝胶的程序化形状回复过程和功能展示。研究人员进一步将形状记忆水凝胶开发成生物肌肉模型（图3）。在骨骼的上下臂上贴附有固定拉伸状态的水凝胶条，材料在寒冷的环境中收缩，骨骼可以抬起手臂。其做功能力高达45.2 kJ m−3，远超过一般动物肌肉的做功能力(~8 kJm−3)。研究人员还将材料开发为食品盒锁扣和热感应水车。这些结果表明材料在耐热人工肌肉、温度监测等方面具有一定的应用前景。图3 聚丙烯酸-醋酸钙复合水凝胶作为人工肌肉和温度监测器件的应用展示。
了解详情请读原文▼
[点击下方链接或阅读原文]
Luqin Hua, Chuanzhuang Zhao, Xin Guan, Jianlei Lu, Jiawei Zhang. Cold-induced shape memory hydrogels for strong and programmable artificial muscles. Sci. China Mater., 2022, DOI: 10.1007/s40843-021-1971-9.