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  功能材料的加工成型，是新型刺激響應(yīng)軟體機(jī)器人研究的難點(diǎn)之一。與此同時，纖維的加工成型技術(shù)已在紡織工業(yè)中受到廣泛的研究與應(yīng)用。若將水凝膠纖維加工成為軟體機(jī)器人，水凝膠纖維的快速刺激響應(yīng)能力與柔韌性將有效的提升軟體機(jī)器人性能。然而，目前刺激響應(yīng)凝膠纖維的發(fā)展主要面臨兩個難點(diǎn)：

  第一，水凝膠纖維的生產(chǎn)方法的兼容性差，目前已有的微流控紡絲、靜電紡絲、熔融紡絲，和墨水直寫紡絲等方法均對纖維單體溶液的物理性質(zhì)有額外要求或需要相對快速的固化過程；

  第二，水凝膠纖維由于其含水量較高，機(jī)械強(qiáng)度差，即便在較低應(yīng)力下也容易發(fā)生斷裂，無法實現(xiàn)機(jī)器等自動化編織。

  因此，現(xiàn)有報導(dǎo)水凝膠編織均僅限于簡單結(jié)構(gòu)，且由刺激響應(yīng)水凝膠編織而成的軟體機(jī)器人尚未見報導(dǎo)。

圖1. 自潤滑紡絲方法與水凝膠纖維表征

  基于此，本文作者提出了一種利用水凝膠前體溶液聚合過程中線性高分子自由移動產(chǎn)生潤滑層（自潤滑現(xiàn)象）的紡絲方法，并利用三甘醇的干燥與塑化效應(yīng)將制備的纖維強(qiáng)度有效提升。其中水凝膠前體溶液由線性高分子聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸） (PAMPS)，單體丙烯酰胺(AAm)構(gòu)成。在聚合過程中，AAm逐漸通過自由基聚合形成三維高分子網(wǎng)絡(luò)，而PAMPS不參與反應(yīng)在前體溶液中隨機(jī)運(yùn)動，不可避免的，部分PAMPS會被部分/全部排出到PAAm形成的網(wǎng)絡(luò)之外，并可自由移動。此層表面的PAMPS與溶劑水分子一起，形成了潤滑層，將水凝膠網(wǎng)絡(luò)與容器分離，并潤滑水凝膠網(wǎng)絡(luò)的移動。基于此，研究人員提出了一種自潤滑紡絲工藝（圖1），并對產(chǎn)生的纖維進(jìn)行了表征。

圖2.凝膠纖維電響應(yīng)與拉伸強(qiáng)度表征。

  然而此纖維機(jī)械強(qiáng)度依舊不足以支持進(jìn)一步的加工與應(yīng)用。因此，作者將水凝膠纖維置于三甘醇中對其進(jìn)行了溶劑置換，在此過程中，水凝膠纖維中的水分子被移除帶來機(jī)械強(qiáng)度提高，同時少量三甘醇進(jìn)入到凝膠網(wǎng)絡(luò)中，相較簡單干燥的干膠纖維，三甘醇置換所得的凝膠網(wǎng)絡(luò)得以維持一定柔韌性。

圖3.凝膠纖維編織結(jié)構(gòu)。

  凝膠纖維在之后被利用不同的紡織方法制成為鉤針花、機(jī)編布、堆積圓柱與五角星、辮子，空心籠等形狀。

圖4.凝膠纖維仿生軟體機(jī)器人。

  最后，作者利用COMSOL有限元模擬輔助進(jìn)行了電極的設(shè)計，將電極與編織結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制造出了一系列水下仿生軟體機(jī)器人。

  研究成果于2020年10月19日在線發(fā)表于ACS Nano，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院本科生段翔宇與于靜怡為論文共同第一作者，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚(yáng)研究員為通訊作者，北京理工大學(xué)為第一通訊單位。

  論文信息與鏈接：

  Duan, X.; Yu, J.; Zhu, Y.; Zheng, Z.; Liao, Q.; Xiao, Y.; Li, Y.; He, Z.; Zhao, Y.; Wang, H.; Qu, L., Large-Scale Spinning Approach to Engineering Knittable Hydrogel Fiber for Soft Robots. ACS Nano 2020.

  DOI: 10.1021/acsnano.0c04382

  https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04382