膨胀引起的形状变形在自然界中广泛存在，其原理近年来已进行了深入研究。然而，对于现有的可溶胀软材料（例如水凝胶和水溶胀橡胶）来说，在保持较大的弹性模量的同时，实现大的溶胀率（体积>1000%）仍然具有挑战性。受生物体中渗透压驱动膨胀所引起的形状变化的启发，他们在此报告了一种将细氯化钠(NaCl)颗粒嵌入Ecoflex^00-10聚合物中所形成的聚合物复合系统。这种Ecoflex^00-10/NaCl聚合物复合材料可以实现高达3000%的可控体积膨胀，同时保持相对较高的弹性模量。通过设计几何结构和控制NaCl颗粒的含量，可以创建能够实现连续可编程变形的可变形结构（Shape-morphing Structure）。最后，通过使用PDMS膜封装3D打印聚合物复合材料图案，展示了具有视觉和触觉调节功能的可编程盲文，用于信息加密。相关成果以“Bio-inspired Facile Strategy for Programmable Osmosis-driven Shape-morphing Elastomer Composite Structures”为题，发表在《Materials Horizons》。新加坡南洋理工大学博士后研究员杨远航为第一作者，英国伯明翰大学助理教授刘明超及南洋理工大学助理教授黄长进为共同通讯作者。南洋理工大学博士生王玥莹和Marcus Lin博士深度参与了该项目。

  在自然界中，许多生物体通过响应外界环境的刺激做出形状或结构上的调整，以实现生存、适应和进化。例如，紫荆花籽荚在湿度变化下会发生扭曲运动，促使种子释放；含羞草小叶在接触时会迅速收缩；软体动物通过肌肉收缩和伸展来调整姿势。这些形状变化都基于相同的机制，即通过调节液体的渗透（流入或流出）改变细胞的尺寸。受到这些自然现象的启发，研究人员致力于开发溶剂响应的仿生可变形系统。这些系统在特定溶剂的作用下，可以改变形状、尺寸或整体形态，具有广泛的应用前景，包括药物输送系统、柔性电子设备和软机器人、以及组织工程等。

  在这一研究领域中，软体材料的溶胀能力和机械刚度在设计溶剂响应可变形系统中发挥关键作用。过去的研究主要集中在水凝胶和弹性体上，但它们各自存在一些限制，例如低机械强度、较差的打印性能等。为了克服这些限制，研究人员设计了一种新型聚合物共混系统，通过将盐粉掺入弹性体中，使其在水中表现出显著的溶胀（约3000%体积），同时保持出色的机械性能（杨氏模量E=0.02 MPa）。除了选择溶剂响应型材料外，巧妙的结构设计也对实现特定的变形行为至关重要。通过利用非均匀溶胀双层结构中应变失配，研究人员成功地设计了各种可变形结构，实现了可编程和部分可逆的三维形状变化。通过将可膨胀聚合物复合材料半嵌入PDMS，模拟了人类手指的顺序弯曲。最后，通过3D打印技术，展示了基于聚合物复合材料的可变形系统在信息加密方面的潜在应用。这项研究为基于溶胀的智能设备的发展提供了新的思路。

本文亮点：

1.将氯化钠颗粒嵌入Ecoflex^00-10中，赋予了不可溶胀聚合物在水中的溶胀特性。实验证明，通过这种机制，该聚合物复合材料能够实现高达3000%的可控体积膨胀率，同时保持相对较高的弹性模量。

2.通过控制氯化钠颗粒的含量，可以编程调控溶胀动力。采用这种可溶胀聚合物作为活性驱动部件，他们成功设计了各种几何形状的可变形结构。

3.通过调节聚合物复合材料的溶胀特性和几何设计实现了顺序变形。

4.设计了一种可编程盲文作为一项创新示范，其具备信息加密的视觉和触觉调节功能。

图1. Ecoflex^00-10/NaCl聚合物复合材料与文献报道的其他可溶胀软材料的体积溶胀能力和相应的杨氏模量比较。

图2. 仿生软聚合物复合材料的膨胀机理和性能。(a)黑木耳因膨胀或脱水而发生形状变化。(b)不同渗透压条件下植物细胞形状变化的示意图。(c) Ecoflex^00-10/NaCl聚合物复合材料的溶胀过程示意图。(d)圆柱形聚合物复合材料样品在水中浸泡3天之后与初始状态的对比。(e-f)圆柱形样品溶胀过程的COMSOL模拟。(g) Ecoflex^00-10/NaCl聚合物复合材料薄片膨胀3天之后与初始状态的对比。(h) 浸泡在不同温度的水中聚合物复合材料薄片（50 wt.% NaCl）的体积溶胀比。(i)样品厚度和NaCl浓度对聚合物复合材料片材在60°C水中的溶胀动力学的影响。

图3. 聚合物复合材料-PDMS双层结构和具有半嵌入聚合物复合材料条带的PDMS结构的形状变形。(a)聚合物复合材料-PDMS双层结构浸入水中后的弯曲变形。(b- c)由将聚合物复合材料条带半嵌入PDMS中组成的星形结构的形状变化。(d, e)由将聚合物复合材料条带半嵌入PDMS中组成的叶形结构的形状变化。(f)由于半嵌入的聚合物复合材料条带的膨胀，花瓣状变形结构从二维展开状态到三维卷曲状态的形状变化。

图4. 具有半嵌入Ecoflex^00-10/NaCl聚合物复合材料条带的PDMS结构因膨胀引起的连续形状变形。(a-c) 半嵌入了可膨胀的Ecoflex^00-10/NaCl聚合物复合材料的PDMS条带在水中浸泡过程中的形状和角度变化。(d-f)手指关节驱动的人类手指以及使用聚合物复合材料作为关节结构的仿生PDMS手掌结构从直到弯曲的可调节过程。

图5. 用于信息加密的具有完全嵌入聚合物复合材料的PDMS结构的制造和演示。(a) 将三维打印的聚合物复合材料图案完全嵌入PDMS的制造过程。(b-c)具有完全嵌入的聚合物复合材料条带的PDMS样品浸入水中后3D表面形态的演变及其对应的COMSOL模拟。(d- e)具有视觉和触觉调节的盲文“NTU”的制造及其信息读取和消除过程。

结论：在这项研究中，他们受到了生物体中由渗透压驱动的形状变化的启发，设计了一种由NaCl颗粒和Ecoflex^00-10组成的聚合物复合材料系统。该系统可以兼具较大的溶胀比和较高的机械刚度。他们对影响溶胀行为的关键因素进行了系统研究，包括浸泡温度、样品厚度以及掺杂的NaCl粉末的浓度等。利用聚合物复合材料优越的溶胀性能并采用合理的结构设计，他们展示了一种制造可变形结构的简便策略。通过利用不同聚合物之间的应变失配，并采用半嵌入结构布局，成功实现了具有半嵌入的聚合物复合条带的PDMS结构的可调节的顺序变形，由此产生的形状变化使他们能够模拟人类手指以不同角度弯曲的情况。此外，通过将可膨胀聚合物复合材料完全封装在PDMS中，他们展示了聚合物复合材料在可编程盲文中的应用，所展示的可编程盲文为信息加密带来了新的实现方案。这项工作为利用聚合物复合材料开发出创新的形状变形系统和信息加密技术提供了重要的思路。

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01731a

作者简介

  杨远航（Yuanhang Yang），2022年博士毕业于美国弗吉尼亚联邦大学，在校期间曾获得美国弗吉尼亚联邦大学博士论文奖学金。同年成为新加坡南洋理工大学博士后研究员，研究方向包括柔性变形装置的设计及基于3D打印技术设计柔性电子等。以第一作者在Materials Horizons, Applied Surface Science, Nanoscale, Advanced Materials Interfaces等国际期刊发表论文十余篇。通过了中国机械工程师资格认证，获得过中国石油装备设计大赛优秀奖。此外，担任《工程科学学报》、《Exploration》、《Journal of Biomaterials》、《中国材料科学进展》等期刊编委。

  刘明超（Mingchao Liu），英国伯明翰大学助理教授。2013年本科毕业于山东大学工程力学系，2018年博士毕业于清华大学工程力学系。2018-2021年受英国皇家学会牛顿国际奖学金（Newtown International Fellowship）资助于牛津大学数学研究所从事博士后研究，2022-2023年受校长博士后奖学金（Presidential Postdoctoral Fellowship）资助于新加坡南洋理工大学从事博士后研究，2022年6月加入英国伯明翰大学机械工程系任助理教授。主要研究方向为柔性细长结构力学分析，弹性结构稳定性分析，力学超材料与软体机器人分析与设计。在PNAS、Matter、Science Advances、Materials Horizons、JMPS、EML等期刊上发表学术论文30多篇。担任期刊Extreme Mechanics Letters的社交媒体特任编辑（Special EML Editor for Social Media Engagement）和Soft Science的青年编委（Junior Editorial Board）。

  黄长进（Changjin Huang），新加坡南洋理工大学助理教授。2008年本科毕业于中国科学技术大学热能与动力工程系，2014年博士毕业于美国宾州州立大学工程科学与力学系。2014-2015年于美国西北大学从事博士后研究，2016-2018年于美国卡内基梅隆大学从事博士后研究，2018年9月加入新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院任助理教授。主要研究方向为细胞力学，力学生物学，生物-纳米材料界面力学，生物制造。在PNAS、Nano Letters、Science Advances、Materials Horizons、Plant Physiology、EML等国际期刊上发表学术论文40多篇。担任期刊Extreme Mechanics Letters的Early Career Advisory Board成员和Journal of Micromechanics and Molecular Physics的副编委。