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  類肌肉結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠可以有效提高水凝膠取向方向的抗疲勞行為（疲勞閾值>1000 J m^-2），但垂直于取向方向上抗疲勞裂紋能力很差（疲勞閾值100 ~ 300 J m^-2），使得這類材料無法滿足一些特定場合的應(yīng)用需求，比如軟體機器人、柔性電子、電子皮膚和組織補片等。

  近日，受啟發(fā)于心臟瓣膜獨特構(gòu)效關(guān)系，南方科技大學(xué)劉吉團隊在Advanced Materials上發(fā)表文章“Bioinspired 2D Isotropically Fatigue-Resistant Hydrogels”，報道了一種簡單而通用的仿生策略來設(shè)計與制造具有二維面向各向同性的抗疲勞特水凝膠。他們通過雙向冷凍鑄造工藝形成整齊排列的層狀微/納米結(jié)構(gòu)，隨后進行壓縮-退火處理，制備出的水凝膠材料在二維平面的任意方向上都展現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞特性，疲勞閾值均超過1500 J/m²。

圖1. 各向同性抗疲勞水凝膠的制備，多尺度結(jié)構(gòu)和抗疲勞特性。 

  該工作所報道的二維各向同性抗疲勞水凝膠有望成為眾多應(yīng)用場景中二維面向承重部件的新型材料。作者設(shè)計并制造了一種效珍珠水母形態(tài)和運動方式的新型水下軟體機器人，采用2D PVA/GO水凝膠作為機器人的頭部承重部件（如圖2所示）。這類各向同性抗疲勞水凝膠可作為力學(xué)傳動部件，通過電驅(qū)動馬達伸縮機器人的頭部，實現(xiàn)該機器人可以在水下連續(xù)長期地向前游動（視頻1）。在有裂紋存在的情況下，經(jīng)過1,000,000多次的連續(xù)循環(huán)二維面內(nèi)伸縮（水下游動長達450小時），裂紋明顯明顯拓展，表現(xiàn)出優(yōu)異的二維抗疲勞特性（視頻2）。

視頻1. 機器人的設(shè)計模型和游動過程。

圖2. 各向同性抗疲勞水凝膠應(yīng)用于效仿水母的水下軟體機器人，并經(jīng)受百萬次疲勞驗證。

視頻2. 機器人在水中百萬次循環(huán)游動過程。

  南方科技大學(xué)梁翔禹博士為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復(fù)機器人重點實驗室、廣東省自然科學(xué)基金-區(qū)域聯(lián)合基金項目（青年基金）、廣東省自然科學(xué)基金面上項目、深圳市自然科學(xué)基金面上項目等經(jīng)費支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107106 

招聘信息

  劉吉課題組長期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關(guān)材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標(biāo)題請注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)聘職位”，期待您的加盟！

  劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學(xué)獨立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為軟材料的極限性能設(shè)計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應(yīng)用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章40余篇。先后獲得國家人才項目(2020)、《麻省理工科技評論》中國區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會青年學(xué)者獎(2017)、瑪麗居里學(xué)者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/