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廈門大學(xué)侯旭教授、帝國理工學(xué)院李明博士等《Prog. Polym. Sci.》：仿生構(gòu)建強(qiáng)韌響應(yīng)性水凝膠致動(dòng)器及應(yīng)用策略

2023-03-06 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生刺激響應(yīng) 水凝膠驅(qū)動(dòng)器增韌

近日，廈門大學(xué)侯旭教授課題組與英國帝國理工學(xué)院李明博士、Eduardo Saiz教授合作，以廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院為第一單位，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士李維軍和英國格拉斯哥大學(xué)博士管晴雯為第一作者，在國際知名高分子期刊《Progress in Polymer Science》上發(fā)表題為“Nature-inspired strategies for the synthesis of hydrogel actuators and their applications”的綜述文章，向大自然學(xué)習(xí)，大自然賦予了許多生命體通過環(huán)境的刺激反應(yīng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其基本生理活動(dòng)的能力。受這些有趣的生物結(jié)構(gòu)與功能的啟發(fā)，可以開發(fā)出一系列仿生智能液基材料，以水凝膠致動(dòng)器為例，文章系統(tǒng)地總結(jié)了自然界中生物體的響應(yīng)性行為、作用機(jī)制以及設(shè)計(jì)原理，深入討論不同刺激手段響應(yīng)的水凝膠驅(qū)動(dòng)器，并對(duì)增韌水凝膠驅(qū)動(dòng)器的制備設(shè)計(jì)機(jī)制進(jìn)了總結(jié)，另外分析和展望了增強(qiáng)水凝膠驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用前景以及未來發(fā)展方向。

圖1：仿生智能水凝膠軟驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用的概述。

大自然中存在許多不同的液基生物，如章魚、水母、捕蠅草和含羞草等，它們能夠通過對(duì)刺激的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、捕食、繁殖等活動(dòng)。基于這些有趣的現(xiàn)象，人們進(jìn)行了許多嘗試，開發(fā)出了一種新型的液基材料-人工響應(yīng)性水凝膠驅(qū)動(dòng)器，包括人工肌肉、智能驅(qū)動(dòng)器和軟體機(jī)器人等。水凝膠是一類高度交聯(lián)的親水性網(wǎng)絡(luò)和高含水量的液基材料，具有生物啟發(fā)作用。通過對(duì)其化學(xué)、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行修改，可以開發(fā)出對(duì)刺激響應(yīng)的人工軟性驅(qū)動(dòng)器。

圖2：自然界中常見的響應(yīng)驅(qū)動(dòng)行為。

一般來說，具有刺激響應(yīng)功能的水凝膠驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)在受到外部異質(zhì)刺激（包括溫度、光、pH、電場(chǎng)和電場(chǎng)等）時(shí)可以表現(xiàn)出顯著的體積/相變行為以及可逆的膨脹/收縮特性，這就是水凝膠驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵作用機(jī)制。

圖3：水凝膠驅(qū)動(dòng)器的刺激響應(yīng)性能示意圖。

隨著材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的進(jìn)步，軟驅(qū)動(dòng)器和設(shè)備或機(jī)器人的發(fā)展越來越復(fù)雜，現(xiàn)在已在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。盡管很多應(yīng)用仍處于概念階段，但水凝膠驅(qū)動(dòng)器已應(yīng)用于電子皮膚、人造肌肉、軟驅(qū)動(dòng)器、軟機(jī)器人、生物傳感器、藥物輸送、組織工程和夾具等眾多領(lǐng)域。

圖4：水凝膠驅(qū)動(dòng)器的潛在應(yīng)用示意圖。

基于計(jì)算機(jī)控制和人工智能的新技術(shù)未來可以實(shí)現(xiàn)要更好的材料設(shè)計(jì)以及精確控制仿生系統(tǒng)的行為和功能應(yīng)用。另外一方面是應(yīng)對(duì)極端條件的能力是另一個(gè)重要問題，水凝膠驅(qū)動(dòng)器要在更多的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)使用的需求，就要具有各種極端溫度/壓力條件下穩(wěn)定性能。最后，從系統(tǒng)的角度來看，未來的趨勢(shì)是讓水凝膠致動(dòng)器能夠自主感知、響應(yīng)和完成編程任務(wù)，從而使系統(tǒng)更加智能化。機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因此，將機(jī)器學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)集成到智能水凝膠機(jī)器中的發(fā)展是一個(gè)有前途的研究方向。總之，功能性設(shè)備的整體性能取決于不同組件之間的協(xié)同，需要各個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同合作才能實(shí)現(xiàn)更智能的材料設(shè)計(jì)。

圖5：未來發(fā)展方向：制備智能自主的水凝膠驅(qū)動(dòng)器。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670023000205

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（責(zé)任編輯：xu）

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