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  類肌肉結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠可以有效提高水凝膠取向方向的抗疲勞行為（疲勞閾值>1000 J m^-2），但垂直于取向方向上抗疲勞裂紋能力很差（疲勞閾值100 ~ 300 J m^-2），使得這類材料無法滿足一些特定場合的應用需求，比如軟體機器人、柔性電子、電子皮膚和組織補片等。

  近日，受啟發(fā)于心臟瓣膜獨特構(gòu)效關系，南方科技大學劉吉團隊在Advanced Materials上發(fā)表文章“Bioinspired 2D Isotropically Fatigue-Resistant Hydrogels”，報道了一種簡單而通用的仿生策略來設計與制造具有二維面向各向同性的抗疲勞特水凝膠。他們通過雙向冷凍鑄造工藝形成整齊排列的層狀微/納米結(jié)構(gòu)，隨后進行壓縮-退火處理，制備出的水凝膠材料在二維平面的任意方向上都展現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞特性，疲勞閾值均超過1500 J/m²。

圖1. 各向同性抗疲勞水凝膠的制備，多尺度結(jié)構(gòu)和抗疲勞特性。 

  該工作所報道的二維各向同性抗疲勞水凝膠有望成為眾多應用場景中二維面向承重部件的新型材料。作者設計并制造了一種效珍珠水母形態(tài)和運動方式的新型水下軟體機器人，采用2D PVA/GO水凝膠作為機器人的頭部承重部件（如圖2所示）。這類各向同性抗疲勞水凝膠可作為力學傳動部件，通過電驅(qū)動馬達伸縮機器人的頭部，實現(xiàn)該機器人可以在水下連續(xù)長期地向前游動（視頻1）。在有裂紋存在的情況下，經(jīng)過1,000,000多次的連續(xù)循環(huán)二維面內(nèi)伸縮（水下游動長達450小時），裂紋明顯明顯拓展，表現(xiàn)出優(yōu)異的二維抗疲勞特性（視頻2）。

視頻1. 機器人的設計模型和游動過程。

圖2. 各向同性抗疲勞水凝膠應用于效仿水母的水下軟體機器人，并經(jīng)受百萬次疲勞驗證。

視頻2. 機器人在水中百萬次循環(huán)游動過程。

  南方科技大學梁翔禹博士為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復機器人重點實驗室、廣東省自然科學基金-區(qū)域聯(lián)合基金項目（青年基金）、廣東省自然科學基金面上項目、深圳市自然科學基金面上項目等經(jīng)費支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107106 

招聘信息

  劉吉課題組長期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標題請注明“姓名+畢業(yè)學校+應聘職位”，期待您的加盟！

  劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章40余篇。先后獲得國家人才項目(2020)、《麻省理工科技評論》中國區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/