基于此，浙江大学郑强、吴子良团队开发了一种能够以双模式折叠和扭曲转变的水凝胶接头，使复合水凝胶能够在恒定条件下形成多种变形配置。这些节点具有平面内梯度结构，由作为框架的刚性被动凝胶和作为驱动单元的软质响应凝胶构成。在外部刺激下，不同凝胶之间的响应不匹配导致具有双稳态特征的平面进行折叠或扭曲变形。通过与其他凝胶模块化集成，这些关节可以提供复杂的变形和多稳态配置。这种方法有利于选择性控制水凝胶的结构和水凝胶的多功能设计设备。该研究以题为“Bistable Joints Enable Morphing of Hydrogel Sheets with Multi-Stable Configurations”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

【水凝胶关节的设计和结构】

该水凝胶关节由一个非响应水凝胶poly(methacrylamide-co-methacrylic acid) [P(MAAm-co-MAAc)] 和一个响应水凝胶 poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAm) 构成（图1）。可以通过特定位置的预膨胀实现瞬时偏屈曲来实现对这些关节变形方向的选择性控制。当中央响应凝胶的一侧用浓盐溶液预处理时，瞬态全厚度梯度由此建立，导致在被盐溶液处理后水凝胶关节实现折叠或扭曲。在多个折叠接头模块化集成后，复合水凝胶具有多稳态构型，在完整凝胶在盐溶液处理之前，可以通过特定位置的盐水处理或定向光照射调节每个接头的折叠方向来选择性地控制多稳态构型。然而，当关节被集成到一个闭环中时，自由度和可能配置的数量会因几何约束而减少。如图2所示，当多个折叠接头连接成正方形时，在复合凝胶中仅观察到三种多层构型。而通过整合多个偏离的折叠接头，复合凝胶变形为倾斜的之字形或准圆柱螺旋，这是选择性控制每个偏离折叠接头 (β = 30°) 的变形方向的结果。

图1 水凝胶的结构设计与基本变形

图2. 水凝胶关节的变形

图3. 水凝胶的多稳态构型

【水凝胶的多稳态构型】

与折叠关节不同，通过设计四个独立的 P(MAAm-co-MAAc)凝胶硬条被组装成扭曲接头的框架，可以对 PNIPAm 凝胶的收缩进行控制（图3）。在关节的扭曲变形过程中，中央 PNIPAm 凝胶在周围框架的约束下形成马鞍状。远离鞍面中心的刚性条因此发生大幅度旋转。在集成多个扭转接头后，复合水凝胶具有多稳态构型，可以通过选择性控制每个接头的变形方向来调节。如图 3e 所示，具有五个扭曲接头的复合凝胶在 1 M 盐水溶液中形成左手扭曲螺旋。通过切换每个关节的方向，这种凝胶可以逐渐改变其结构从左手螺旋变成右手螺旋。

双稳态折叠和扭曲接头的集成使复合凝胶能够发生更复杂的变形，从而形成多态构型。通过控制每个关节的折叠或扭曲方向，在相同条件下可以获得四种不同的配置。折叠和扭曲接头也可以集成到复合凝胶中以形成闭环（图 4）。如上所述，在一次刺激下能够变形为相反方向的活动关节，以及在恒定条件下具有多稳态构型的复合凝胶，起源于平面内梯度结构诱导的向上或向下方向屈曲的概率相等。这种设计原则应该适用于其他具有对比机械和响应特性的凝胶。值得注意的是，目前在恒定条件下水凝胶中多稳态构型的形成无法通过其他现有策略来实现。尽管可以在具有明确定义的全厚度梯度的凝胶中获得复杂的配置，但特定条件下的形状变形通常是单模的。不同的配置需要单独的设计来制造不同的凝胶。因此，上述设计原则提供了一种全新的策略，通过双稳态接头的模块化集成在相同条件下在一个凝胶中形成多稳态配置，为设计变形材料提供了一种新的思路。

图4. 动态冲击力学性能研究

图5. 水凝胶的实际应用

【水凝胶的实际应用】

双稳态接头的可编程性和复合凝胶的多稳态构型在具有多功能的水凝胶装置的设计和制备领域具有巨大的应用千里。作者在这里展示了复合水凝胶作为水力发电机产生双向电流的概念验证应用。如图5a所示，叶轮叶片通过双稳态折叠接头连接。叶轮在1M盐溶液中能保持形状，并能承受水冲的冲击，产生直流电。然后通过调节接头的折叠方向可以轻松切换产生电流的方向，而无需制造新的水凝胶叶轮。双向电流的产生表现为两个不同颜色的发光二极管 (LED) 的发光，它们串联组装并与水力发电机相连（图 5b）。此外双稳态折叠接头的嵌入可以作为水凝胶夹持器和升降器的应用。这种水凝胶夹持器的捕获和释放是由中央的双稳态变形介质控制的。因此，与大多数软质夹持器不同，这种凝胶夹持器可以在去除外力后通过咬合来保持其形状以夹持物体。通过集成多个折叠和扭曲接头的复合水凝胶的可编程配置也可用于控制激光路径和调节电路状态。如图 5c 所示，复合凝胶由一个扭转接头和两个折叠接头。凝胶的上半部分是固定的，下半部分装有一面镜子。凝胶在 0.95 M 盐水溶液中平衡后，折叠接头弯曲 58°，扭转接头旋转 62°。两个折叠接头选择性地向相反方向变形，以保证镜子的垂直状态。扭曲和折叠接头的协同控制可以精确操纵镜子的位置和方向，从而调节激光路径并通过光电传感器选择性地打开LED（图 5d）。

总结：作者而在本文中展示了可以进行双模折叠或扭曲变形的活性水凝胶关节的设计新思路。双稳态关节的原理适用于软材料的设计，因此值得生物医学设备、柔性设备等领域具有广阔的应用前景。