仿生各向異性水凝膠構建及其驅動器應用研究取得進展

　　高分子水凝膠驅動器是一類能夠對外界刺激（光、熱、化學、電等）產生可逆形變或者體積改變的新型智能材料。作為一類與生物組織相似的“軟、濕”態材料，水凝膠驅動器在軟體機器人、人工肌肉、人造閥門等領域存在巨大的潛在應用價值。

　　為此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤和張佳瑋開展了一系列工作。通過構筑非對稱性各向異性水凝膠及其復合體系，實現了仿生水凝膠驅動器的多功能化（如圖1）。科研人員通過選擇性局部還原氧化石墨烯-聚N-異丙基丙烯酰胺，得到了能在pH、溫度、近紅外、離子強度等多種外界刺激下進行復雜三維形變的“仿生抓手”（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）；在智能驅動和智能變色方面長期的研究基礎上，他們開發了一種具有3D復雜驅動-智能變色雙功能協同的新型智能仿生水凝膠（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568）；為克服水凝膠驅動器難以脫離水環境進行驅動的缺陷，通過雙層水凝膠內部水循環體系的構筑，成功實現了可在水、油、空氣等多種環境中驅動（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 1320）；此外，還把驅動和形狀記憶結合起來，以此作為形狀記憶材料的受力來源，實現材料形變的可控調節（Chem. Commun. 2018, 54, 1229）。

　　基于上述系列研究成果及近幾年在仿生各向異性水凝膠驅動器方面的研究經驗，研究人員近期發表綜述文章（Adv. Sci., 2018, 1801584），系統介紹了近年來仿生各向異性水凝膠驅動器相關研究的最新進展。其中，對各向異性結構，包括雙層結構、梯度結構、圖案化結構以及取向結構等多種非對稱性結構的構造方法及其相應的典型案例做了細致梳理；總結概括了水凝膠驅動器在執行器、行走器/游泳器、人工閥門等仿生器件方面可能存在的應用；此外，通過熒光性能、形狀記憶功能、自修復等的引入，多功能水凝膠驅動器也成為仿生各向異性水凝膠驅動器一個重要的研究內容。最后，研究人員討論了這類材料現存的挑戰及其未來的發展方向，包括如何精確控制形變、如何提高水凝膠強度以實現實際應用、如何提高響應速度等。相信在不久的將來，仿生各向異性水凝膠驅動器將取得蓬勃的發展。

　　以上工作得到國家自然科學基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創新促進會的支持（2017337）。

圖1 多功能仿生水凝膠驅動器的構建

圖2 仿生水凝膠驅動器的各向異性結構構筑及其潛在應用