生物体可以通过细胞的水合/脱水来调节自身的形状或运动，以响应外部刺激，适应不断变化的环境。此外，软体动物(如章鱼)和尺蠖也可以通过肌肉收缩和舒张来完成复杂的动作。受这些生物的启发，研究人员越来越重视研发仿生驱动器和机器人，旨在提高运动敏捷性的集成度，扩展其对非结构化环境的适应性，并实现高工作/功率密度。水凝胶是动植物体的主要成分之一，是由聚合物交联形成的三维网络。基于其高含水量以及独特的类固体性质，水凝胶材料表现出优异的生物相容性，物理化学性能可调、以及易功能化等特点。近年来，人们将智能仿生概念与水凝胶进行结合，制备出多种可感知外界刺激的刺激响应水凝胶材料，其对外界的响应性一般宏观表现为体积或状态的突变，呈现出明显的相转变行为。然而传统均一体系的水凝胶材料响应程度单一，表现出均质的响应性，无法满足高自由度，多样化的刺激响应需求，进而限制了其在诸多领域中的进一步研究。

  在自然界中，金星捕蝇器通过关闭叶片捕获猎物，牵牛花扭曲卷须以实现空间的重新定向，蠕虫经历弯曲/不弯曲的形状变形以向前行走，变色龙感知外界危险实现身体颜色的逐渐改变，这些自然生物的几何形状以及体表肤色的改变主要归因于其内部的组分或结构的各向异性。受这些独特的各向异性结构的启发，近几年不同类型的各向异性水凝胶材料设计和制备取得了重大进展。

图1 各向异性水凝胶的设计策略

  具有各向异性结构/组分的水凝胶材料在外界刺激下可进行各向异性响应，进而实现针对性的形状改变或者功能变化。作者系统地总结了各向异性水凝胶的设计策略，主要是在于结构（微观结构或者宏观自组装）或者组分（填料或者聚合物链）的各向异性分布。典型的设计和制造策略包括重力诱导、电场诱导、磁场诱导、局部图案化、剪切诱导、聚合物链分布和多层结构，相关代表性的各向异性水凝胶材料以及近几年不同的具有各向异性结构水凝胶所对应的研究体系、聚合方式、力学性能、响应性能、优缺点等也被进一步总结和讨论（表1、2）。 

表1 具有不同各向异性结构的典型水凝胶材料

  随后，从驱动角度来看，有效且高效的驱动和控制是各向异性水凝胶基驱动器和软体机器人在各种应用中充分发挥潜力的关键，目前水凝胶驱动主要涉及到两种类型：主动驱动和被动驱动。主动驱动包括渗透压驱动和弹性势能驱动，是指水凝胶在外界刺激下主动进行分子或结构变化。被动驱动涉及到响应性颗粒驱动和气动/液压驱动，其中水凝胶作为载体，通过气动/液压或响应性颗粒等主动驱动源，被动地面对外部刺激并进行变形。典型的具有不同驱动和控制方式的水凝胶驱动器如表3所示。 

表3 典型的具有不同驱动和控制方式的水凝胶驱动器

图6 多功能水凝胶驱动器

  论文信息：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