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廈門大學侯旭教授、帝國理工學院李明博士等《Prog. Polym. Sci.》：仿生構(gòu)建強韌響應性水凝膠致動器及應用策略

2023-03-06 來源：高分子科技

近日，廈門大學侯旭教授課題組與英國帝國理工學院李明博士、Eduardo Saiz教授合作，以廈門大學化學化工學院為第一單位，廈門大學化學化工學院博士李維軍和英國格拉斯哥大學博士管晴雯為第一作者，在國際知名高分子期刊《Progress in Polymer Science》上發(fā)表題為“Nature-inspired strategies for the synthesis of hydrogel actuators and their applications”的綜述文章，向大自然學習，大自然賦予了許多生命體通過環(huán)境的刺激反應驅(qū)動實現(xiàn)其基本生理活動的能力。受這些有趣的生物結(jié)構(gòu)與功能的啟發(fā)，可以開發(fā)出一系列仿生智能液基材料，以水凝膠致動器為例，文章系統(tǒng)地總結(jié)了自然界中生物體的響應性行為、作用機制以及設計原理，深入討論不同刺激手段響應的水凝膠驅(qū)動器，并對增韌水凝膠驅(qū)動器的制備設計機制進了總結(jié)，另外分析和展望了增強水凝膠驅(qū)動器的應用前景以及未來發(fā)展方向。

圖1：仿生智能水凝膠軟驅(qū)動器及其應用的概述。

大自然中存在許多不同的液基生物，如章魚、水母、捕蠅草和含羞草等，它們能夠通過對刺激的響應實現(xiàn)運動、捕食、繁殖等活動。基于這些有趣的現(xiàn)象，人們進行了許多嘗試，開發(fā)出了一種新型的液基材料-人工響應性水凝膠驅(qū)動器，包括人工肌肉、智能驅(qū)動器和軟體機器人等。水凝膠是一類高度交聯(lián)的親水性網(wǎng)絡和高含水量的液基材料，具有生物啟發(fā)作用。通過對其化學、結(jié)構(gòu)和功能進行修改，可以開發(fā)出對刺激響應的人工軟性驅(qū)動器。

圖2：自然界中常見的響應驅(qū)動行為。

一般來說，具有刺激響應功能的水凝膠驅(qū)動器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)在受到外部異質(zhì)刺激（包括溫度、光、pH、電場和電場等）時可以表現(xiàn)出顯著的體積/相變行為以及可逆的膨脹/收縮特性，這就是水凝膠驅(qū)動器可以實現(xiàn)運動的關鍵作用機制。

圖3：水凝膠驅(qū)動器的刺激響應性能示意圖。

隨著材料設計和制造技術的進步，軟驅(qū)動器和設備或機器人的發(fā)展越來越復雜，現(xiàn)在已在各個領域應用。盡管很多應用仍處于概念階段，但水凝膠驅(qū)動器已應用于電子皮膚、人造肌肉、軟驅(qū)動器、軟機器人、生物傳感器、藥物輸送、組織工程和夾具等眾多領域。

圖4：水凝膠驅(qū)動器的潛在應用示意圖。

基于計算機控制和人工智能的新技術未來可以實現(xiàn)要更好的材料設計以及精確控制仿生系統(tǒng)的行為和功能應用。另外一方面是應對極端條件的能力是另一個重要問題，水凝膠驅(qū)動器要在更多的場景下實現(xiàn)使用的需求，就要具有各種極端溫度/壓力條件下穩(wěn)定性能。最后，從系統(tǒng)的角度來看，未來的趨勢是讓水凝膠致動器能夠自主感知、響應和完成編程任務，從而使系統(tǒng)更加智能化。機器學習可以幫助實現(xiàn)這一目標，因此，將機器學習控制系統(tǒng)集成到智能水凝膠機器中的發(fā)展是一個有前途的研究方向�？傊�，功能性設備的整體性能取決于不同組件之間的協(xié)同，需要各個領域的協(xié)同合作才能實現(xiàn)更智能的材料設計。

圖5：未來發(fā)展方向：制備智能自主的水凝膠驅(qū)動器。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670023000205

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（責任編輯：xu）

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