受到外界刺激時，捕蠅草的葉片通過快速跳轉(snapping)變形實現(xiàn)獵物的捕獲。通過雙穩(wěn)態(tài)結構實現(xiàn)跳轉變形，對于軟驅動器、軟機器人的發(fā)展具有重要的科學意義。近日，浙江大學鄭強、吳子良團隊與南方科技大學洪偉團隊合作，通過電場驅動實現(xiàn)了聚電解質水凝膠的可逆跳轉變形。高度溶脹的聚電解質水凝膠受限于低溶脹的中性水凝膠，通過面外屈曲變形形成具有雙穩(wěn)態(tài)特征的穹頂構型。由于聚電解質水凝膠具有電場響應性，當穹頂形凝膠置于鹽溶液并施加電場時，離子遷移導致凝膠厚度方向形成溶脹梯度，反向彎曲受到幾何結構的阻礙，因而彈性能逐漸累積直到越過能壘，凝膠發(fā)生快速跳轉變形。相關工作以 “Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels”為題發(fā)表于《Science Advances》。
通過多步光聚合制備了具有平面梯度結構的復合水凝膠（圖1）。中間的聚電解質水凝膠具有較高的溶脹能力，但是受到周圍低溶脹水凝膠的限制。因此，聚電解質凝膠在純水或低濃度鹽水中溶脹并發(fā)生面外屈曲變形，形成具有雙穩(wěn)態(tài)特征的穹頂構型。向上或者向下屈曲的穹頂構型具有相同的彈性能，在外力作用下可以越過能壘，通過快速跳轉變形實現(xiàn)構型的切換。將該凝膠置于Na2SO4溶液中并施加電場，凝膠在電場作用下發(fā)生可逆的跳轉變形。
圖1. 電場驅動的穹頂形聚電解質水凝膠發(fā)生跳轉變形。
研究表明，該凝膠的跳轉時間受電場強度、聚電解質凝膠荷電密度、Na2SO4溶液濃度的影響。隨著電場強度的上升和凝膠荷電密度的下降，跳轉時間逐漸減小。而隨著鹽水濃度的上升，跳轉時間呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。受限的聚電解質水凝膠的跳轉變形與電場驅動自由水凝膠彎曲變形密切相關；在電場作用下，聚陰離子水凝膠靠近正極的一側發(fā)生溶脹，凝膠逐漸向負極方向發(fā)生彎曲變形（圖2）。
圖2. 電場驅動聚電解質水凝膠條的彎曲變形
通過模擬自由離子在電場作用下的遷移行為，并將離子濃度分布與凝膠溶脹、收縮行為相耦合，揭示了電場驅動水凝膠跳轉變形的機制（圖3）。在電場作用下，陽離子向負極移動，導致聚陰離子水凝膠靠近正極一側發(fā)生溶脹，凝膠向負極彎曲但受到幾何結構的限制。凝膠內部的能量逐漸累積直到越過能壘，凝膠發(fā)生快速跳轉變形，在0.1 s內完成構型轉換并到達另一穩(wěn)定狀態(tài)，該速度接近捕蠅草。
利用電場驅動可逆跳轉變形，設計了水凝膠光控開關和仿生“捕手”(圖4)。通過獵物位置識別、電場自動開啟、自發(fā)驅動跳轉等步驟實現(xiàn)了智能“抓捕”功能。此外，通過光控負反饋機制實現(xiàn)了電場方向的自動切換，進而以具有跳轉能力的凝膠作為驅動單元，構筑了具有液體輸運功能的“脈沖泵”。
相關工作發(fā)表于Science Advances，論文第一作者為浙江大學高分子系博士生李琛煜，通訊作者為浙江大學吳子良、南方科技大學洪偉。
文章信息：
Chen Yu Li, Si Yu Zheng, Xing Peng Hao, Wei Hong, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels, Science Advances 2022, 8, eabm9608.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm9608
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