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  動植物的復雜變形和運動能力對其生存與進化至關重要，為智能變形材料、軟機器人的設計開發提供了靈感和范例。水凝膠與生物軟組織具有高度相似性、多種智能響應性，是構筑軟驅動器和軟機器人的理想材料。基于對生物體系工作原理的認識以及水凝膠加工技術的突破，該領域在近十年得到了快速發展。浙江大學鄭強、吳子良團隊應邀在《Accounts of Chemical Research》上發表了題為“Programmable morphing hydrogels for soft actuators and robots: from structure Designs to Active Functions”的綜述論文并被選為封面文章，總結了近年來在水凝膠可控變形與凝膠軟體驅動器、軟機器人領域的研究進展。

  軟驅動器、軟機器人等器件功能的實現，與高分子軟材料可控變形密切相關。通過構筑平面、厚度方向的梯度結構，可以使水凝膠在外界刺激下產生非均一的體積溶脹或收縮，進而產生內部應力，發生彎曲、折疊、扭轉、屈曲等模式的可控變形。通過多個單元的疊加，可以形成復雜的三維構型。平面梯度結構引起的面外屈曲變形具有雙穩態的特性，為水凝膠實現多穩態構型提供了新的途徑。浙大鄭強、吳子良團隊采用局部預溶脹的方法調控多個單元的屈曲方向，使同一水凝膠在相同條件下獲得了多種不同的構型。在含有周期性平面梯度結構的水凝膠中，相鄰單元的屈曲變形相互影響，呈現協同效應，從而自發形成周期性起伏的構型。

圖1. 生物組織的可控變形及運動功能。

圖2. 含有平面梯度結構的水凝膠的協同變形與多穩態變形。

  可變形水凝膠廣泛應用于醫療器械、軟驅動器等領域。然而，由于水凝膠力學性能較差，驅動器的輸出力比較有限，并且驅動速度較慢。該團隊通過3D打印高強水凝膠，制備了兼具輸出力大和響應快速的軟驅動器；設計了高強度水凝膠管狀抓取器，可牢固抓取不同形狀的物體。已有的水凝膠驅動器大多通過彎曲變形實現功能，已發展的其他變形模式為軟驅動器的設計與應用提供了空間。

  可變形水凝膠是設計具有運動功能的軟機器人的理想體系，其難點在于如何將水凝膠的可逆彎曲、伸縮變形轉化為連續、定向運動。采用周期性環境刺激、使用棘板控制單向運動、設計非對稱幾何結構是實現水凝膠定向運動的常用策略，但運動方向單一，無法實現反向運動。該團隊采用動態光驅動水凝膠局部變形并同步調節與基板的摩擦力，實現了爬行、轉向、蠕動等運動過程及方向的動態調控。

  可變形水凝膠在生物醫學、柔性電子等領域也展現出了巨大的應用潛力。但是，水凝膠體系與生物體的智能性相比仍存在巨大差距。此外，其應用領域仍需進一步拓展，還須考慮安全性、穩定性等問題。

  該文章發表于Accounts of Chemical Research，該工作得到了國家自然科學基金委的資助。

  文章信息：

  Dejin Jiao, Qing Li Zhu, Chen Yu Li, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Programmable Morphing Hydrogels for Soft Actuators and Robots: From Structure Designs to Active Functions, Acc. Chem. Res. 2022, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00046.

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00046