仿含羞草!超快可控变形的水凝胶致动器

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

自然界中广泛存在能够应对不同复杂情况的刺激响应植物，植物结构的丰富性和多样性可以作为研究人员的重要灵感来源，并可能作为开发新型功能材料的基础。例如，具有特殊功能化的植物，如金星捕蝇器和含羞草，叶子在刺激时能够迅速闭合，可以为光响应致动器的设计提供丰富的灵感。温敏水凝胶由于其具有良好的生物相容性，响应温度接近于人体温度，被广泛应用于构建水凝胶驱动器。

光响应水凝胶具有精度高、控制远程、生物相容性优异等优点，广泛应用于软仿生致动器。水分子扩散的过程会直接影响水凝胶的变形。因此，提高水凝胶促动器的响应速度仍然是一个严峻的挑战。近日，受含羞草受刺激快速闭合的启发，哈工大赫晓东教授和彭庆宇教授团队将具有良好光热效应和导电性的Ti3C2TxMXene与温度响应型水凝胶PNIPAM结合，采用定向冷冻法设计制备了各向异性光响应水凝胶，其机械性能和导电性在特定方向上得到了增强。同时，在内部定向通道的存在和毛细管力的辅助下，各向异性水凝胶在光照射下可以在2秒内实现70%的体积收缩，同时进一步构建了具有快速响应性能的水凝胶致动器。此外，水凝胶驱动器还可以将比自身重40倍的物体进行提升6mm的距离，实现了响应速度快和高驱动强度的优点，这使得水凝胶致动器在遥控、水流阀门和软体机器人方面具有重要的应用意义。

采用定向冻结法制备了具有有序的内部取向结构的各向异性MXene水凝胶，通过扫描电镜观察水凝胶的结构，具备有序的取向结构。对MXene水凝胶的各向异性进行研究，发现其力学性能远远大于各向同性水凝胶，并且平行于网络方向的力学性能和导电率均优于垂直方向，对其不同方向的力学性能进行有限元模拟，模拟结果与实验结果一致。

利用MXene复合水凝胶的各向异性结构和光热驱动的优势，各向异性水凝胶驱动器实现了可控的光驱动。含羞草的外部刺激后，叶枕的细胞质溶液迅速直接输送到叶和茎上，细胞收缩导致叶闭合。受含羞草特性的启发，MXene复合水凝胶中的定向结构促使其在光刺激后能够在定向孔隙通道中输送水分，在内部定向通道的存在和毛细管力的辅助下，水分子从内部迅速排出，各向异性水凝胶在光照射下可以在2秒内实现70%的体积快速收缩，同时可以构建具有快速响应性能的水凝胶驱动器。

综上所述，制备了具有各向异性结构的MXene基导电水凝胶驱动器。MXene复合水凝胶采用定向冷冻方法构筑，在特定方向上具有优异的电化学和机械性能。同时，与各向同性水凝胶相比，MXene复合水凝胶水凝胶表现出有序取向的孔通道，光响应极快，在光照射下2秒内可达到70%的体积收缩率。同时，构造具有快速响应性能的水凝胶驱动器，可以执行快速准确的远程控制。水凝胶的快速响应性和高驱动强度使其在智能软致动器中具有较大的应用前景，并进一步为多功能智能软体机器人提供了新的视角。

该研究以“Bio-inspired stimuli-responsive Ti3C2Tx/PNIPAM Anisotropic hydrogels for high-performance actuators”发表在期刊。

来源：高分子科学前沿

转自：“i学术i科研”微信公众号

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