各向异性水凝胶所具备的刺激响应型不对称结构可驱使水凝胶实现复杂的变形与运动，因此被广泛用于执行器、软体机器人和人工肌肉等领域。其中，不对称双层结构由于其简单的设计思路和编程方法而受到广泛关注。由于双层结构的响应性变形能力本质上决定于两层水凝胶溶胀性能的不对称性，因此目前的研究大多只集中在调整双层结构中两层的原始组成材料来实现双层结构不对称性的增强，而不涉及结构层面的探索，这限制了双层不对称结构在提高响应性变形能力方面的进一步发展。

  基于此，东南大学化学化工学院付国东课题组发展了一种新型非对称性嵌入式双结构，即利用自然界中的天然存在的梯度溶氧现象驱使双层结构在浇筑过程中自组装形成嵌入式梯度结构。值得注意的是，这种结构编程策略不仅工艺简单、成本低廉，而且由于简单双层结构和嵌入式梯度结构的协同不对称性，这种多结构赋予了水凝胶比单一双层结构更快的响应性变形能力。为了实现水凝胶变形的精确空间和时间控制，文章中还进一步探索了水凝胶刺激响应变形基于温度和pH的变形编程模式，并将所制备的水凝胶简单搭建水凝胶抓手来执行抓取任务。这一系列研究表明他们的工作为智能执行器的设计和制造开辟了一条新途径。该研究以“Anisotropic Hydrogels Constructed via a Novel Bilayer-Co-Gradient Structure Strategy toward Programmable Shape Deformation”为题发表在《Chemistry of materials》期刊上。该文章第一作者为博士生叶姗，通讯作者为东南大学付国东教授。

图1. PAD/PHD水凝胶的制备示意图及结构形貌图

  从制备过程和结构形貌来看，第一层(PHD层)水凝胶在氮气环境下聚合并呈现均质网络结构，而在浇筑第二层(PAD层)水凝胶制备过程中，通过将混合溶液暴露于氧气环境中实现梯度聚合，从而实现在双层结构中嵌入梯度网络结构。在这个过程中，嵌入式梯度结构的实现是自组装而成，没有增加额外的制备步骤。同时，这种梯度结构的实现由于不需要额外的外部场力驱动，因此相比于当前梯度结构编程策略而言更加简单和低成本。因此，本课题组提出的这种新型非对称性嵌入式双结构从制备工艺上来说并没有增加制备步骤和难度。

图2. PAD/PHD水凝胶的响应性形变能力

图3. PAD/PHD水凝胶的pH-和温度响应性形变行为

  从响应性变形能力来看，双层结构和嵌入式梯度结构的协同不对称性使得存在嵌入式梯度结构的双层结构的响应性形变速度快于单一的双层结构，这表明本课题组提出的这种新型非对称性嵌入式双结构为双层不对称结构在提高响应性变形能力方面的发展提供了新的可能性。同时，形变行为表现出温度和pH响应性。为了实现对水凝胶变形的精确空间和时间控制，探索了PAD/PHD水凝胶基于pH和温度的复杂形变行为模式。并且，除了可控的变形能力外，所设计水凝胶在乙醇中具有形状可恢复性，这对凝胶的循环利用提供了可能性。

图4. 简易PAD/PHD水凝胶抓取器的抓取行为

  利用所设计PAD/PHD水凝胶搭建简易智能抓取器，力学测试和界面结合检测都表明该水凝胶抓取器有能力执行抓取行为。并且，由该水凝胶抓取器主导的简单抓取实验的成功表明，该工作成功地拓宽了智能抓取器制造领域的视野。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c02820