厦门大学侯旭教授、帝国理工学院李明博士等《Prog. Polym. Sci.》：仿生构建强韧响应性水凝胶致动器及应用策略

2023-03-06 来源：高分子科技

近日，厦门大学侯旭教授课题组与英国帝国理工学院李明博士、Eduardo Saiz教授合作，以厦门大学化学化工学院为第一单位，厦门大学化学化工学院博士李维军和英国格拉斯哥大学博士管晴雯为第一作者，在国际知名高分子期刊《Progress in Polymer Science》上发表题为“Nature-inspired strategies for the synthesis of hydrogel actuators and their applications”的综述文章，向大自然学习，大自然赋予了许多生命体通过环境的刺激反应驱动实现其基本生理活动的能力。受这些有趣的生物结构与功能的启发，可以开发出一系列仿生智能液基材料，以水凝胶致动器为例，文章系统地总结了自然界中生物体的响应性行为、作用机制以及设计原理，深入讨论不同刺激手段响应的水凝胶驱动器，并对增韧水凝胶驱动器的制备设计机制进了总结，另外分析和展望了增强水凝胶驱动器的应用前景以及未来发展方向。

图1：仿生智能水凝胶软驱动器及其应用的概述。

大自然中存在许多不同的液基生物，如章鱼、水母、捕蝇草和含羞草等，它们能够通过对刺激的响应实现运动、捕食、繁殖等活动。基于这些有趣的现象，人们进行了许多尝试，开发出了一种新型的液基材料-人工响应性水凝胶驱动器，包括人工肌肉、智能驱动器和软体机器人等。水凝胶是一类高度交联的亲水性网络和高含水量的液基材料，具有生物启发作用。通过对其化学、结构和功能进行修改，可以开发出对刺激响应的人工软性驱动器。

图2：自然界中常见的响应驱动行为。

一般来说，具有刺激响应功能的水凝胶驱动器的内在结构在受到外部异质刺激（包括温度、光、pH、电场和电场等）时可以表现出显著的体积/相变行为以及可逆的膨胀/收缩特性，这就是水凝胶驱动器可以实现运动的关键作用机制。

图3：水凝胶驱动器的刺激响应性能示意图。

随着材料设计和制造技术的进步，软驱动器和设备或机器人的发展越来越复杂，现在已在各个领域应用。尽管很多应用仍处于概念阶段，但水凝胶驱动器已应用于电子皮肤、人造肌肉、软驱动器、软机器人、生物传感器、药物输送、组织工程和夹具等众多领域。

图4：水凝胶驱动器的潜在应用示意图。

基于计算机控制和人工智能的新技术未来可以实现要更好的材料设计以及精确控制仿生系统的行为和功能应用。另外一方面是应对极端条件的能力是另一个重要问题，水凝胶驱动器要在更多的场景下实现使用的需求，就要具有各种极端温度/压力条件下稳定性能。最后，从系统的角度来看，未来的趋势是让水凝胶致动器能够自主感知、响应和完成编程任务，从而使系统更加智能化。机器学习可以帮助实现这一目标，因此，将机器学习控制系统集成到智能水凝胶机器中的发展是一个有前途的研究方向。总之，功能性设备的整体性能取决于不同组件之间的协同，需要各个领域的协同合作才能实现更智能的材料设计。

图5：未来发展方向：制备智能自主的水凝胶驱动器。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670023000205

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（责任编辑：xu）

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