作為一種新興的仿生材料，刺激響應性水凝膠因其靈活的響應能力和多樣的調控手段，近年來受到了學者們的廣泛關注。然而，現階段基于刺激響應性水凝膠制備的絕大多數致動器件往往僅能夠實現“刺激-形變”的單向致動調控過程，這與有機生命體“識別-判斷-執行”的高級智能行為還有較大差距。例如，自然界中的智能生命體可以通過神經系統識別外界環境狀況及自身的姿態，進而決定是否進行身體移動；相反，現有柔性致動器件的刺激響應形變過程則缺乏有意識的主觀判斷，只能在無干擾的理想實驗環境下完成可控的致動驅動任務，在復雜環境中的適應性及其自身所展現的智能性仍有待提高。為了實現類生命體“識別-判斷-執行”的智能致動過程，柔性致動器不僅要具備靈活可控的致動能力，還要具備對其自身形變過程進行主動識別的自我感知能力。因此，發展兼具致動能力和感知能力的新型柔性致動材料，使其不僅能夠在外界環境刺激下產生可控形變，還能夠對其刺激響應性形變過程進行自我識別，對實現類生命體“識別-判斷-執行”的智能仿生致動器的制備及應用具有巨大的意義。
近日，東北大學理學院王鐵強副教授、孟凡寶教授與吉林大學張俊虎教授合作，開發了一種具有仿生自調節性能的半互穿海綿狀自感知水凝膠致動器。該工作以溫度誘導微相分離聚合的方法制備了海綿狀的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠，并進一步在水凝膠內原位氧化聚合導電聚合物聚苯胺（PANI），最終得到半互穿海綿狀水凝膠（Sponge-Like semi-Interpenetrating hydrogel, SL-s-IPN hydrogel）。利用PNIPAM自身的熱響應性和PANI良好的光熱轉化能力，在施加不同形狀、強度、方向和頻率的近紅外光后，以該材料制備的柔性致動器均能夠在較短的時間內完成彎曲，折疊及光線追蹤等多種復雜動作。值得注意的是，導電聚合物的引入使柔性致動器在發生光致形變時能夠產生可檢測的實時電學信號，進而實現其對自身形變的自我感知。借助于這種高效的電學反饋機制，在連接到由監測器，控制系統等組成的閉環控制系統（Closed Loop Control System， CLCS）中后，柔性致動器能夠有效地模仿自然界中智能動物的神經肌肉系統，當環境中出現干擾因素時（干擾光或干擾物），致動器能夠迅速地對環境變化情況進行感知和判斷并對其自身形變進行自我調節。
圖一、半互穿海綿狀自感知水凝膠的制備、光致形變過程及閉環控制回路的構建
亮點1：海綿狀微觀結構賦予水凝膠超快的響應速度和致動行為
本工作利用溫度誘導微相分離聚合的方法，制備了海綿狀的多孔PNIPAM水凝膠。與常規方法制備的PNIPAM水凝膠相比，該方法制備的PNIPAM凝膠具有更大的比表面積和更為通透的孔結構，其獨特的微觀結構為水凝膠內部水分子的遷移提供了大量通道，一定程度上降低了傳統PNIPAM水凝膠在LCST附近發生相變時皮膚層效應對其響應速度的負面影響。測試結果顯示，在去溶脹和溶脹的過程中，海綿狀PNIPAM水凝膠（SL-PNIPAM）和半互穿海綿狀水凝膠（SL-s-IPN）均能夠在5s內和10s內分別達到溶脹平衡，遠低于傳統PNIPAM水凝膠（N-PNIPAM）達到溶脹平衡的時間（數十分鐘甚至數百分鐘）。此外，在近紅外光刺激下，以SL-s-IPN水凝膠制備的光-熱柔性致動器能夠在2s內彎曲到最大角度，當近紅外光關閉后，致動器能夠在1s內恢復到初始角度，展現出了極具特色的快速響應行為。
圖二、半互穿海綿狀水凝膠退溶脹/溶脹動力學測試及柔性致動器響應速度測試
亮點2：半互穿結構帶來的低遲滯高靈敏電學自感知性能
本工作利用原位氧化聚合的方式，在海綿狀PNIPAM水凝膠中原位聚合導電聚合物PANI，形成了具有電學性能的半互穿海綿狀復合水凝膠。在外界光刺激下，當PNIPAM網絡發生收縮引起柔性致動器發生形變時，致動器內PANI分子鏈發生對應的遷移，進而使其電學性能產生了相應變化，最終實現對于自身形變的電學傳感。受益于PNIPAM網絡與PANI分子鏈之間獨特的半互穿結構，兩種聚合物材料能夠在接近分子級別的微觀尺度上有效復合，因此柔性致動器的形變行為與電學傳感信號幾乎同時產生。結果顯示，柔性致動器的電學傳感信號不僅表現出了與其致動行為一致的超快響應速度（響應時間：約2s；恢復時間：約1s），也在100次的測試循環中展現出了良好的循環穩定性及不同刺激強度下的連續測試能力，在柔性致動器的低遲滯電學自感知領域展現出一定的應用潛力。
圖三、半互穿海綿狀水凝膠致動器的電學自感知性能測試
亮點3：仿生水凝膠致動器自身姿態的快速自調節
在快速致動能力及無遲滯的電學自感知性能基礎上，通過連接到監測器，自動控制系統及可調諧激光器組成的閉環控制回路中，半互穿海綿狀自感知水凝膠致動器展現出了與自然界中智能生命體相近的自調節行為。在該回路中，半互穿海綿狀自感知水凝膠致動器兼具智能生命體的神經肌肉系統中感受器和效應器的雙重作用，其傳輸的電信號和接收的紅外光信號依次模擬生物體的傳入神經和傳出神經，計算機對柔性致動器反饋的電學信號進行實時監測，自動控制芯片作為中樞神經采集信號并生成相應指令。當環境中出現干擾光或干擾物影響柔性致動器自身的行為姿態時，利用其反饋出的實時電學信號，閉環系統能夠在無人干預的情況下對柔性致動器所處的環境情況進行快速判斷，并對其自身的行為和姿態進行自主調節，實現柔性致動器在復雜環境中的自適應和自修正。
圖四、閉環控制回路中半互穿海綿狀水凝膠致動器的自我調節性能
結論：該工作利用溫度誘導微相分離聚合和原位氧化聚合，制備了由PNIPAM和PANI組成的半互穿海綿狀自感知水凝膠。以該材料構筑成的具有光致形變能力的自感知柔性致動器，表現出高響應速率、高度可編程性及實時自感知等諸多特點。在集成到閉環控制回路中后，自感知柔性致動器能夠完成與自然界中智能生命體相接近的實時感知能力和自我調節行為。該材料的制備，為下一代智能軟體機器人的設計和制造提供了新的思路。
該成果以“Sponge-Like, Semi-Interpenetrating Self-Sensory Hydrogel for Smart Photothermal-Responsive Soft Actuator with Biomimetic Self-Diagnostic Intelligence” 為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。（https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143515）東北大學王鐵強副教授、孟凡寶教授與吉林大學張俊虎教授為文章的共同通訊作者。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143515
