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Science评述:超高驱动力 - 快速响应的水凝胶柔性执行器
2022-04-15  来源:高分子科技

  4月15日,国际著名学术期刊《Science》发表了南昆士兰大学蒋臻博士、宋平安教授团队合作撰写的题为 ”Strong and fast hydrogel actuators” 的perspective评述论文(Science, 2022, 376, 245)。结合近年来水凝胶柔性执行器的新进展,对当期韩国首尔大学JEONG-YUN SUN教授等发表的Science论文 ”Hydrogel-based strong and fast actuators by electroosmotic turgor pressure”研究工作进行了评述和展望。


  近年来,智能水凝胶柔性执行器研究引起了人们的广泛关注,该材料在软体机器人,人工肌肉,生物医药等领域发挥着举重轻重的作用。然而先报到的水凝胶柔性执行器普遍产生较小的驱动力(≤ 2N),并且形变速率比较慢,这限制了该种材料在软体机器人,人工肌肉等软机器领域的应用。归根结底,这是因为大部分水凝胶柔性执行器是通过网络中渗透压的变化来产生变形。


  研究表明,虽然在渗透压变化可以产生巨大的压力(高达几兆帕),但是不能完全被利用来驱动水凝胶。这是因为在溶胀平衡的过程中,会和聚合物交联网络的强大弹性回复力抵消平衡。


  现有的改进水凝胶柔性执行器的方法,比如引入双重交联和双网络作为能量耗散机制,可以在一定程度上提高力学性能以及驱动力。但是,这类方法很难加快水凝胶的驱动速率。


  现报道的可以改善水凝胶驱动速率的方法,比如引入多孔结构或者采用非渗透压驱动,虽然可以实现水凝胶在几秒内快速形变,但是仍然需要更多的研究来大大提高驱动力,并且可以保持快速响应。


  针对上述难题,韩国首尔大学国立大学的JEONG-YUN SUN教授提出了一种新的方法来实现超强驱动力,快速响应水凝胶柔性执行器 (图1)。该方法的关键在于产生了一种限制溶胀环境。通过利用选择性渗透膜包覆水凝胶。理论结果证明,在这种受限溶胀环境中,渗透压大大增加,同时,来着聚合物交联的弹性恢复力可以忽略不计。这两个因素共同作用,产生了巨大的驱动力(730 N,比现有的水凝胶驱动力高好几个数量级。值得注意的是,该种新型水凝胶驱动力可以打破一块坚硬的砖头。同时,作者利用了电渗效应,实现了水凝胶的快速驱动。电场作用可驱动水合反离子的快速迁移,同时被拖曳的水分子可以使得网络溶胀。研究发现,这种电动水传输的驱动速度是相应渗透压驱动的19倍。

 

图1. 原理示意图


  虽然该领域取得了一系列令人兴奋的进展,但是作者个人认为,为了实现水凝胶柔性执行器在更广的领域应用,比如干燥环境,高压高温等极限环境,水凝胶的失水问题亟待解决。并且相信,随着新型高分子化学合成技术,以及新型加工方法的发展,不久的将来,水凝胶柔性执行器将会在各个领域得到广泛的应用。


  原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4603


作者简介

蒋臻,现为伍伦贡大学澳大利亚优秀青年基金获得者(ARC DECRA Fellow)。曾经师从复旦大学俞燕蕾教授。先后在澳大利亚昆士兰大学,澳洲国立大学,南昆士兰大学从事博士后工作。其主要研究兴趣是智能形变高分子的设计和合成,以及高分辨率,高灵敏度,低线粗糙度光刻胶开发。其擅长于通过有机/高分子化学手段设计制备优异性能的智能高分子材料。迄今为止,发表13篇第一作者文章,比如Science, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., Chem. Mater., Chem. Commu.等。


联系方式:Email:zjiang@uow.edu.au


宋平安,南昆士兰大学农业与环境科学学院教授,澳大利亚研究理事会未来研究学者(ARC Future Fellow,等同于澳洲国家杰出青年基金)。博士期间师从浙江大学方征平教授从事高分子材料的阻燃研究,2009年获得高分子化学与物理专业博士学位。自2006年以来,一直致力于(1)高分子材料的阻燃、增强增韧、增容等高性能化和结构-性能关系、(2)新型高效阻燃剂和火灾预警传感器的研制、和(3)生物质特别是木质素的高值化利用等方面的研究。迄今,主持包括2项澳大利亚研究理事会项目和2项中国国家自然科学基金在内的20余项科研项目。以第一作者和/或通讯作者在Science, Adv. Mater.、Matter、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.和Macromolecules 等材料和高分子领域的国际知名学术期刊上发表学术论文170余篇,并受邀在Prog. Mater. Sci.和Prog. Polym. Sci.等著名期刊发表综述。其中影响因子>10的41篇,ESI高被引19篇,热点论文2篇;论文总引用8400余次,H指数为58(谷歌学术);研究工作受到Science、 Chemistry World、 MIT科技评论和ABC News的广泛报道。编写英文书籍章节2章;申请发明专利20余项,转让3项;目前担任期刊Frontiers in Materials(2020 IF: 3.515)的副编辑、Journal of Nanomaterials(2020 IF:2.986)的学术编辑和Composites Part B: Engineering(2020 IF:9.078)的编委。


联系方式:

Email: pingansong@gmail.com; pingan.song@usq.edu.au

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