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  生物組織普遍存在有序的取向結構，賦予了生物體變形及運動功能。仿生制備含有各向異性結構的軟驅動器及軟體機器人具有重要科學意義和應用價值。水凝膠材料具有生物組織類似的特征以及多種刺激響應性，是構筑具有可控變形能力的軟驅動器的理想材料。目前，光刻、3D打印等方法可以在水凝膠中構筑含有厚度梯度、平面梯度結構，實現了折疊、彎曲、扭轉等變形。在外界刺激下，響應性差異引起的內部應力導致材料發(fā)生變形。但是，這些材料通常缺少各向異性結構。盡管通過磁場、剪切等手段可制備含有單一取向結構的水凝膠，構筑復雜取向結構仍然需通過多步取向、聚合完成，過程比較繁瑣，并且多步聚合產生的界面處易發(fā)生破壞。如何通過簡單方法構筑仿生復雜取向結構成為變形材料方向的難題。近日，浙江大學鄭強、吳子良團隊通過采用圖案化電極控制外加電場分布，從而誘導納米片取向，一步制備了含有平面、厚度梯度結構的各向異性水凝膠，并實現了可控變形與運動。

  通過電極圖案的設計以及電極位置的調控，在前驅溶液中形成可控的分布式電場，納米片沿著電場方向取向，聚合之后即得到含有復雜取向結構的納米復合水凝膠。在外界刺激下，各向異性結構導致水凝膠發(fā)生可控變形并形成不同的三維構型。

  通過引入納米金球賦予了水凝膠光響應性，在動態(tài)光照射下，該水凝膠發(fā)生扭轉變形。在較低光強下，局部扭轉產生的摩擦力導致整體凝膠發(fā)生逆時針旋轉。在更高光強下，凝膠局部扭轉更加劇烈，整體發(fā)生翻轉。研究表明，凝膠扭轉變形幅度和重心變化發(fā)揮了重要作用。因此，激光強度和凝膠長度也會影響旋轉和翻轉運動。

  該研究表明，通過控制電場分布誘導納米片取向，可在水凝膠中形成不同梯度的復雜取向結構，在動態(tài)刺激下實現可控變形和運動。這種復雜電場適用于其他荷電粒子，從而控制納米粒子取向、組裝或電泳，所制備的含有功能結構的材料有望應用于光學器件、柔性電子、軟機器人等領域。相關成果以“Patterned Electrode Assisted One-Step Fabrication of Biomimetic Morphing Hydrogels with Sophisticated Anisotropic Structures”為題發(fā)表于Advanced Science。博士生朱清麗為論文的第一作者，浙江大學吳子良研究員、拜羅伊特大學Josef Breu教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102353