中科院宁波材料所新进展：抗冻可拉伸有机水凝胶软驱动器
中国科学院宁波材料技术与工程研究所张佳玮研究员与陈涛研究员通过将具有抗冻能力的甘油引入水凝胶中，制备了能够在零度以下环境中使用的水凝胶驱动器，相关成果以“Anti-freezing and Stretchable Organohydrogels as Soft Actuators”为题发表在Research上。(Research, 2019 DOI: 10.34133/2019/2384347)。
研究背景
作为一类重要的智能材料，高分子水凝胶驱动器能够对各种外部刺激产生响应并发生可逆形变，在仿生驱动器和软体机器人等新兴领域具有广阔的应用前景。高含水量赋予了水凝胶驱动器软湿性能的同时，也限制了它的应用场景：在较低的温度下，水凝胶会结冰，失去变形能力。
低温对生命体而言也是一种挑战，原因与水凝胶类似——如果体液结冰的话，生命体也难以存活。但自然界也存在着一些耐寒的动物如林蛙，即使在零下二三十摄氏度的恶劣环境中，它们依然可以进行生命活动。这是由于随着温度的降低，它们相应地产生低温保护剂，有效阻止细胞内的水结冰。
被冰冻的林蛙（图片来源：dogonews）
研究进展
研究人员将制备好的水凝胶置于甘油或甘油与水的混合溶液中，通过溶剂置换的方式将水凝胶中的水置换为甘油或甘油与水的混合溶液。由于甘油和水分子之间能够形成较强的氢键，甘油的引入不仅能够降低凝胶的凝固点，还赋予了凝胶较强的机械性能。
图1 基于溶剂置换提升凝胶的抗冻能力与机械性能
研究人员将碘化钾（KI）引入聚丙烯酰胺（PAAm）油凝胶中，开发出了适用于多种温度的凝胶传感器。凝胶在-30℃到60℃的宽温度范围内表现出了稳定的导电性能。并且凝胶的电阻还会随着应变的改变而变化，因此可以作为应变传感器使用，在低温下检测人体的应变行为。
图2 油凝胶的导电性能及作为应变传感器
进而以聚丙烯酸（PAAc）为主动层，聚丙烯酰胺（PAAm）为被动层，甘油与水的混合溶液为溶剂，制备了pH响应性的双层凝胶驱动器。在零度以下环境中，普通的PAAc/PAAm水凝胶驱动器会结冰，不能对环境pH变化做出响应；所构筑的油水凝胶驱动器则可以感知环境pH变化，从而发生可逆形变。通过结构设计，研究人员构筑了可在低温环境中运行的载重机器人、智能阀门以及仿生抓手。
图3 油水凝胶驱动器的构筑与驱动机理
图4 油水凝胶驱动器的应用展示
未来展望
基于引入甘油来降低水凝胶冰点，不但可以构建低温条件下使用的凝胶传感器，还可以构建低温条件下使用的凝胶驱动器。因此，这种引入抗冻剂的方法具有通用性，为拓展水凝胶软体机器人在恶劣环境下的应用提供新的思路。
作者简介
张佳玮，现任中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员。目前研究兴趣：（1）超分子形状记忆高分子的设计与构建，（2）智能高分子柔性驱动材料的构建与性能拓展。主持项目10余项，包括3项国家自然科学基金。入选中科院青年创新促进会和浙江省151人才工程，荣获2018年宁波市青年材料科技奖。
陈涛，现任中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员。2006年于浙江大学获得博士学位，先后在英国华威大学、美国杜克大学从事博士后研究，以洪堡学者在德国德累斯顿工业大学从事科研工作。2012年入选国家人才计划青年项目后加盟中科院宁波材料所，组建智能高分子材料团队，致力于智能高分子及其复合材料在形状记忆、智能驱动、柔性可穿戴传感器件等方面的应用研究。在Chem. Soc. Rev., Prog. Polym. Sci., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Adv. Sci.等发表一作或通讯作者文章110余篇，共发表SCI收录论文160余篇，SCI引用5200余次(H因子为39)，申请20余项国家发明专利，10多项获得授权。主持国家自然科学基金青年/面上、国家人才计划“青年项目”、中科院前沿重点研发计划、中科院国际合作重点等项目。入选浙江省杰出青年科学基金、中科院“拔尖青年科学家”等，中国化学会仿生材料化学委员会委员。
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