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  生物體可以通過細(xì)胞的水合/脫水來調(diào)節(jié)自身的形狀或運動，以響應(yīng)外部刺激，適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。此外，軟體動物(如章魚)和尺蠖也可以通過肌肉收縮和舒張來完成復(fù)雜的動作。受這些生物的啟發(fā)，研究人員越來越重視研發(fā)仿生驅(qū)動器和機器人，旨在提高運動敏捷性的集成度，擴展其對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)性，并實現(xiàn)高工作/功率密度。水凝膠是動植物體的主要成分之一，是由聚合物交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)。基于其高含水量以及獨特的類固體性質(zhì)，水凝膠材料表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，物理化學(xué)性能可調(diào)、以及易功能化等特點。近年來，人們將智能仿生概念與水凝膠進行結(jié)合，制備出多種可感知外界刺激的刺激響應(yīng)水凝膠材料，其對外界的響應(yīng)性一般宏觀表現(xiàn)為體積或狀態(tài)的突變，呈現(xiàn)出明顯的相轉(zhuǎn)變行為。然而傳統(tǒng)均一體系的水凝膠材料響應(yīng)程度單一，表現(xiàn)出均質(zhì)的響應(yīng)性，無法滿足高自由度，多樣化的刺激響應(yīng)需求，進而限制了其在諸多領(lǐng)域中的進一步研究。

  在自然界中，金星捕蠅器通過關(guān)閉葉片捕獲獵物，牽牛花扭曲卷須以實現(xiàn)空間的重新定向，蠕蟲經(jīng)歷彎曲/不彎曲的形狀變形以向前行走，變色龍感知外界危險實現(xiàn)身體顏色的逐漸改變，這些自然生物的幾何形狀以及體表膚色的改變主要歸因于其內(nèi)部的組分或結(jié)構(gòu)的各向異性。受這些獨特的各向異性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，近幾年不同類型的各向異性水凝膠材料設(shè)計和制備取得了重大進展。

圖1 各向異性水凝膠的設(shè)計策略

  具有各向異性結(jié)構(gòu)/組分的水凝膠材料在外界刺激下可進行各向異性響應(yīng)，進而實現(xiàn)針對性的形狀改變或者功能變化。作者系統(tǒng)地總結(jié)了各向異性水凝膠的設(shè)計策略，主要是在于結(jié)構(gòu)（微觀結(jié)構(gòu)或者宏觀自組裝）或者組分（填料或者聚合物鏈）的各向異性分布。典型的設(shè)計和制造策略包括重力誘導(dǎo)、電場誘導(dǎo)、磁場誘導(dǎo)、局部圖案化、剪切誘導(dǎo)、聚合物鏈分布和多層結(jié)構(gòu)，相關(guān)代表性的各向異性水凝膠材料以及近幾年不同的具有各向異性結(jié)構(gòu)水凝膠所對應(yīng)的研究體系、聚合方式、力學(xué)性能、響應(yīng)性能、優(yōu)缺點等也被進一步總結(jié)和討論（表1、2）。 

表1 具有不同各向異性結(jié)構(gòu)的典型水凝膠材料

  隨后，從驅(qū)動角度來看，有效且高效的驅(qū)動和控制是各向異性水凝膠基驅(qū)動器和軟體機器人在各種應(yīng)用中充分發(fā)揮潛力的關(guān)鍵，目前水凝膠驅(qū)動主要涉及到兩種類型：主動驅(qū)動和被動驅(qū)動。主動驅(qū)動包括滲透壓驅(qū)動和彈性勢能驅(qū)動，是指水凝膠在外界刺激下主動進行分子或結(jié)構(gòu)變化。被動驅(qū)動涉及到響應(yīng)性顆粒驅(qū)動和氣動/液壓驅(qū)動，其中水凝膠作為載體，通過氣動/液壓或響應(yīng)性顆粒等主動驅(qū)動源，被動地面對外部刺激并進行變形。典型的具有不同驅(qū)動和控制方式的水凝膠驅(qū)動器如表3所示。 

表3 典型的具有不同驅(qū)動和控制方式的水凝膠驅(qū)動器

圖6 多功能水凝膠驅(qū)動器

  論文信息：Bio-inspired anisotropic hydrogels and their applications in soft actuators and robots

  Zhen Chen, Huigang Wang, Yunteng Cao, Yujie Chen*, Ozan Akkus, Hezhou Liu, 

Changyong (Chase) Cao*

  Matter

  https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.011