华东理工大学《ACS AMI》：化学能驱动的仿生自复位水凝胶致动器

2022-10-14 来源：高分子科技

自然界中广泛存在着能够自主运动的生物，这些独特的自主运动能力赋予生物体更好的环境适应能力。例如，捕蝇草的叶片在外界刺激下能够自主地闭合进行捕食，并在捕食后重新舒展至初始状态；含羞草在受到触碰时，叶片及叶柄收缩下垂，随后可自发地恢复到初始的舒张状态。这些生物体的运动往往是依托于化学能驱动的非平衡态化学反应网络实现的，例如，肌肉通过消耗高能化学物质三磷酸腺苷（ATP）进行收缩，并产生废弃物二磷酸腺苷（ADP），在ATP消耗殆尽后，将自发地舒张恢复到原始的松弛状态。受生物运动的启发，在合成系统中构筑软体驱动器成为当下活材料领域的研究热点。其中，水凝胶因其与生物组织高度相似的特点成为构筑软体驱动器的关键材料。然而，目前大多数基于水凝胶的软体驱动器是通过外界刺激信号的人为调控以实现在不同热力学平衡状态之间切换的驱动方式，这种驱动方式所表现出的自主运动能力相对于生物系统而言仍然十分有限。

近日，华东理工大学郭旭虹教授团队与合作者报道了一种由化学能驱动的自复位水凝胶致动器。通过将水凝胶网络的亲疏水性动态变化与化学能驱动的非平衡态化学反应网络相耦合，在化学能的驱动下，水凝胶网络由亲水转变为疏水状态，进而脱水产生收缩；而在化学能消耗殆尽后，水凝胶网络又可自发的恢复至亲水状态，从而重新吸水溶胀恢复至初始状态（图1）。相关研究成果以“Bioinspired Self-Resettable Hydrogel Actuators Powered by a Chemical Fuel”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

图1. 化学能驱动自复位水凝胶致动器设计理念

水凝胶网络的亲疏水性动态变化是通过碳二亚胺（EDC）驱动的羧酸酐可逆生成反应网络实现的。EDC的加入将水凝胶网络中的亲水性羧基转变为疏水性的羧酸酐，导致水凝胶脱水收缩；在EDC消耗完毕后，羧酸酐因其易自发水解的特点，将自发转变为亲水性的羧酸状态，进而使得水凝胶重新吸水溶胀。水凝胶的整个收缩-溶胀过程需要不断消耗EDC，并且能够在能量消耗殆尽后自主的恢复至起始状态。通过引入惰性层成功构筑了双层凝胶驱动器，在EDC的驱动下，能够实现驱动器的自主弯曲-舒展，并且凝胶弯曲程度以及整个驱动周期所持续的时间可以通过调控EDC的输入量进行方便地编程。此外，在完成一个驱动周期后，通过再次加入EDC，可以实现水凝胶驱动器的多次自主驱动过程，表现出良好的可循环驱动能力（图2）。

图2. 化学能对水凝胶致动器形变程度、驱动持续时间和循环驱动性的影响

此外，研究人员还通过模仿自然界中软体生物的运动，创建了各种概念型自复位软体机器人。分别构筑了自复位花朵、仿含羞草以及自复位凝胶抓手（图3；视频1-3）。其中还探索了利用所构筑的自复位凝胶抓手实现了对物体的可控抓捕和自主释放。这种由化学能介导的非平衡态化学反应网络控制的自复位水凝胶软体驱动器策略，有望为具有高度自治能力的“类生命体”型软体机器人的设计与开发提供全新的设计思路。

图3. 化学能驱动的自复位软体机器人

论文的第一作者为华东理工大学化工学院硕士研究生徐浩，通讯作者为化工学院王义明教授和机械与动力学院轩福贞教授。该工作得到了郭旭虹教授的大力支持与指导。本研究工作得到了国家自然科学基金、上海市教育发展基金会和上海市教委支持的“晨光计划”、上海市自然科学基金和华东理工大学创新人才项目的支持。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13368

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（责任编辑：xu）

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