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高分子水凝膠驅(qū)動器是一類能夠?qū)ν饨绱碳ぃü狻帷⒒瘜W(xué)、電等）產(chǎn)生可逆形變或者體積改變的新型智能材料。作為一類與生物組織相似的“軟、濕”態(tài)材料，水凝膠驅(qū)動器在軟體機器人、人工肌肉、人造閥門等領(lǐng)域存在巨大的潛在應(yīng)用價值。

為此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊的陳濤研究員和張佳瑋研究員開展了一系列工作。通過構(gòu)筑非對稱性各向異性水凝膠及其復(fù)合體系，實現(xiàn)了仿生水凝膠驅(qū)動器的多功能化（如圖1）。科研人員通過選擇性局部還原氧化石墨烯-聚N-異丙基丙烯酰胺，得到了能在pH、溫度、近紅外、離子強度等多種外界刺激下進行復(fù)雜三維形變的“仿生抓手”（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）；在智能驅(qū)動和智能變色方面長期的研究基礎(chǔ)上，他們開發(fā)了一種具有3D復(fù)雜驅(qū)動-智能變色雙功能協(xié)同的新型智能仿生水凝膠（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568,）；為克服水凝膠驅(qū)動器難以脫離水環(huán)境進行驅(qū)動的缺陷，通過雙層水凝膠內(nèi)部水循環(huán)體系的構(gòu)筑，成功實現(xiàn)了可在水、油、空氣等多種環(huán)境中驅(qū)動（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 1320）；此外，還把驅(qū)動和形狀記憶結(jié)合起來，以此作為形狀記憶材料的受力來源，實現(xiàn)材料形變的可控調(diào)節(jié)（Chem. Commun. 2018, 54, 1229）

圖1 多功能仿生水凝膠驅(qū)動器的構(gòu)建

基于上述系列研究成果及近幾年在仿生各向異性水凝膠驅(qū)動器方面的研究經(jīng)驗，研究人員近期發(fā)表綜述文章（Adv. Sci., 2018, 1801584），系統(tǒng)介紹了近年來仿生各向異性水凝膠驅(qū)動器相關(guān)研究的新進展。其中，對各向異性結(jié)構(gòu)，包括雙層結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、圖案化結(jié)構(gòu)以及取向結(jié)構(gòu)等多種非對稱性結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法及其相應(yīng)的典型案例做了細致梳理；總結(jié)概括了水凝膠驅(qū)動器在執(zhí)行器、行走器/游泳器、人工閥門等仿生器件方面可能存在的應(yīng)用；此外，通過熒光性能、形狀記憶功能、自修復(fù)等的引入，多功能水凝膠驅(qū)動器也成為仿生各向異性水凝膠驅(qū)動器一個重要的研究內(nèi)容。后，研究人員討論了這類材料現(xiàn)存的挑戰(zhàn)及其未來的發(fā)展方向，包括如何精確控制形變、如何提高水凝膠強度以實現(xiàn)實際應(yīng)用、如何提高響應(yīng)速度等。相信在不久的將來，仿生各向異性水凝膠驅(qū)動器將取得蓬勃的發(fā)展。

圖2 仿生水凝膠驅(qū)動器的各向異性結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及其潛在應(yīng)用

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學(xué)基金(LY17B040003, LY17B040004)，中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創(chuàng)新促進會的支持（2017337）。