浙江大学郑强教授团队《Acc. Chem. Res.》封面综述：可控变形水凝胶及其软驱动器

软驱动器 、软 机器人 等器件 功能 的实现， 与 高分子软 材料可控变形密切相关。 通过构筑平面、厚度方向的梯度结构 ， 可以使 水凝胶 在外界刺激下产生非均一 的 体积 溶胀 或 收缩， 进而 产生内 部 应力，发生弯曲、折叠、扭转、屈曲等 模式的可控 变形。 通过多个单元的叠加，可以形成复杂的三维构型。 平面梯度 结构 引起的 面外 屈曲变形 具有 双稳态 的 特性 ，为水凝胶 实现多稳态构型 提供了新的途径。浙大郑强、 吴子良团队 采用局部 预溶胀的方法 调控多个单元的 屈曲方向， 使同 一水凝胶 在相同条件下获得了 多种不同的构型。 在含有周期性平面梯度结构的水凝胶中 ， 相邻单元的屈曲变形相互影响 ， 呈现协同效应，从而自发形成 周期 性起伏的构型 。

图 1 . 生物组织的 可控 变形 及 运动 功能 。

图 2 . 含有平面梯度结构的水凝胶的协同变形与多稳态变形 。

可 变形水凝胶 广泛应用于医疗器械、 软驱动器 等领域 。然而， 由于水 凝胶力学性能较差， 驱动器的输出力比较 有限，并且驱动速度较慢。该团队通过 3D 打印高强水凝胶 ， 制备了兼具 输出力大和响应快速 的软 驱动器 ； 设计 了 高强度水 凝胶 管状抓取 器，可牢固抓取 不同 形状的物体。 已有 的水凝胶驱动器 大 多 通过 弯曲变形 实现功能 ， 已发展的 其他变形模式为 软驱动器的设计与 应用提供了空间。

可变形水凝胶是设计具有运动功能的软 机器人 的理想体系，其难点在于 如何将 水凝胶的 可逆 弯曲、伸缩 变形转化为连续 、定向 运动。 采用周期性环境刺激、使用 棘板 控制单向运动、 设计 非 对称 几何 结构 是实现水凝胶定向运动的常用策略，但运动方向单一，无法实现反向运动。 该团队 采用 动态 光驱动水凝胶局部变形并同步调节与基板的 摩擦力 ，实现了爬行、转向、蠕动等运动过程及方向的动态调控 。

可变形水凝胶 在生物医学、柔性电子等领域 也展现出了 巨大 的 应用潜力。但 是，水凝胶体系 与 生物体的 智能性 相比 仍 存在 巨大差距 。此外，其应用领域仍需进一步拓展，还须考虑安全性 、稳定性 等问题 。

该文章发表于 Accounts of Chemical Research ， 该工作得到了国家自然科学基金委的资助。

文章信息：

Dejin Jiao, Qing Li Zhu, Chen Yu Li, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Programmable Morphing Hydrogels for Soft Actuators and Robots: From Structure Designs to Active Functions , Acc. Chem. Res. 2022, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00046 .

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00046

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