2秒内实现70%体积快速收缩！哈工大“光响应水凝胶”有望用于软体机器人 -山东化工网

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2秒内实现70%体积快速收缩！哈工大“光响应水凝胶”有望用于软体机器人

文章来源：贤集网更新时间：2023-10-07 15:11:43

自然界中广泛存在能够应对不同复杂情况的刺激响应植物，植物结构的丰富性和多样性可以作为研究人员的重要灵感来源，并可能作为开发新型功能材料的基础。

例如，具有特殊功能化的植物，如金星捕蝇器和含羞草，叶子在刺激时能够迅速闭合，可以为光响应致动器的设计提供丰富的灵感。温敏水凝胶由于其具有良好的生物相容性，响应温度接近于人体温度，被广泛应用于构建水凝胶驱动器。

什么是水凝胶？

我们小时候都玩过一种泡在水里就会变大的珠子，这种珠子一般叫做水晶宝宝或者水精灵。其实水晶宝宝是一种水凝胶，水凝胶的保水性非常强，因此，当干瘪的水晶宝宝吸收变大以后，我们很难把水晶宝宝里面的水挤出来，有时一用力，还会直接弄坏水晶宝宝。

水凝胶（Hydrogel）是一种以水为分散介质的材料，通常具有交联网状结构，能够吸收大量的水（水含量可高达99%），堪称“相当水”的材料。水凝胶具有良好的柔性，能保持一定的形状，也能通过物理化学方法进行修饰以实现多样功能，这些特点使其在组织培养、伤口敷料、人造肌肉、软体机器人、可穿戴器件等方面具有广泛的应用。“水凝胶”一词在文献中首次出现是在1894年。强韧水凝胶的创新发展极大地扩展了该材料在各种领域的潜在应用，包括软体机器人，人造器官，再生医学等。

20世纪40年代前，人们一直都在使用橡胶，它的应用十分广泛。然而，在第二次世界大战期间，美国政府不得不寻找天然橡胶的替代品，因为大部分天然橡胶的产地都位于战火纷飞的太平洋战区。由此，化学家们开始研究各种聚合物的性质，最终，除了找到了丙烯酸酯合成橡胶的方法以外，各种聚合物也开始应用于人们的生活中，与聚合物很相似的水凝胶也进入人们的生活。

在战争时期，人们就开始将水凝胶用作阻燃剂；20世纪60年代，各家各户都开始使用一次性尿布；同时，水凝胶也开始被应用到医学领域；从20世纪70年代开始，具有特殊性能的水凝胶开始被注意，比如：PH(PH值体现酸碱度)敏感型水凝胶会根据环境的酸碱性不同，体积发生不同程度的溶胀或者收缩。这些特殊的性能导致科学家对水凝胶更感兴趣了，关于水凝胶的研究也越来越深入。

起初，科学家们曾将聚合物和凝胶归类为一种物质，经常互换着使用两个名词。不过，虽然凝胶和聚合物确实十分相像，两者还是有很大的区别的。从化学结构上来看，高吸水聚合物是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。这两个基团正好位于一条长链的两端，当高吸水聚合物遇到水分子时，亲水端会欢天喜地地迎上去，把水分子团团围住，而疏水端会“别过头”去，在外面形成一圈屏障，水分子就这样被包围在聚合物分子里，很难出去，形成了水凝胶。而大多数种类的聚合物，比如：硫化橡胶，它们整个分子都是疏水的，它们不会吸收水分、膨胀。因此，在某些方面，水凝胶的应用更加广泛。

2秒内实现70%的体积快速收缩

基于仿生学的概念，研究人员设计了许多具有刺激响应能力的软体机器人，并扩展了它们在各个领域的应用。准确地说，多功能水凝胶的好处受到了相当多的关注，如其优异的生物相容性、富含水分和可在外部刺激（温度、光、pH 等）下启动，可应用于人造肌肉、软体机器人和智能控制器。

近红外（NIR）光响应水凝胶具有高精度、远程控制和优异的生物相容性等优点，被广泛应用于软仿生执行器。水分子扩散的过程可以直接影响水凝胶的变形。因此，提高水凝胶致动器的响应速度仍然是一个严峻的挑战。

来自哈尔滨工业大学的学者通过定向冷冻方法设计了一种各向异性光响应导电水凝胶。由于基于 MXene 的 PNIPAM/MXene 定向 (PMD) 水凝胶的各向异性，其机械性能和导电性在特定方向上得到增强。同时，在内部定向通道的存在和毛细管力的辅助下，PMD水凝胶在光照射下可在2 s内实现70%的体积消溶胀，进一步构建具有快速响应性能的水凝胶致动器。此外，水凝胶致动器可以将自身重量40倍的物体举起6mm的高度，兼具响应速度快和驱动强度高的优势，这使得水凝胶致动器在远程控制、微流量阀、软体机器人等方面具有重要的应用意义。

研究团队采用定向冻结法制备了具有有序的内部取向结构的各向异性MXene水凝胶，通过扫描电镜观察水凝胶的结构，具备有序的取向结构。对MXene水凝胶的各向异性进行研究，发现其力学性能远远大于各向同性水凝胶，并且平行于网络方向的力学性能和导电率均优于垂直方向，对其不同方向的力学性能进行有限元模拟，模拟结果与实验结果一致。

相关文章以“Bio-Inspired Stimuli-Responsive Ti3C2Tx/PNIPAM Anisotropic Hydrogels for High-Performance Actuators”标题发表在Advanced Functional Materials。

有望用于多功能智能软体机器人

与金属、陶瓷或典型的塑料不同，水凝胶是半固态的，含水量高。由于水凝胶具有普遍的粘弹性、可塑性和离子导电性，它们可以应用于各种领域，如人造生物组织、软机器人、生物电子的柔性骨干、导电膜和储能装置(如电池)的固体凝胶电解质。

对于生物应用，应考虑水凝胶和周围组织之间的机械匹配，以最大限度地减少变形、刺激、免疫反应和电解耦。然而，现有的人工合成水凝胶的强度和刚度仍然明显低于几种生物组织，特别是韧带、肌腱、软骨、血管等承重结缔组织，拉伸强度为0.1-200 MPa，弹性模量为0.1-3 GPa。

研究团队利用MXene复合水凝胶的各向异性结构和光热驱动的优势，各向异性水凝胶驱动器实现了可控的光驱动。含羞草的外部刺激后，叶枕的细胞质溶液迅速直接输送到叶和茎上，细胞收缩导致叶闭合。受含羞草特性的启发，MXene复合水凝胶中的定向结构促使其在光刺激后能够在定向孔隙通道中输送水分，在内部定向通道的存在和毛细管力的辅助下，水分子从内部迅速排出，各向异性水凝胶在光照射下可以在2秒内实现70%的体积快速收缩，同时可以构建具有快速响应性能的水凝胶驱动器。

MXene复合水凝胶采用定向冷冻方法构筑，在特定方向上具有优异的电化学和机械性能。同时，构造具有快速响应性能的水凝胶驱动器，可以执行快速准确的远程控制。水凝胶的快速响应性和高驱动强度使其在智能软致动器中具有较大的应用前景，并进一步为多功能智能软体机器人提供了新的视角。

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