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華東理工大學(xué)《ACS AMI》：化學(xué)能驅(qū)動的仿生自復(fù)位水凝膠致動器
2022-10-14  來源：高分子科技

  自然界中廣泛存在著能夠自主運(yùn)動的生物，這些獨(dú)特的自主運(yùn)動能力賦予生物體更好的環(huán)境適應(yīng)能力。例如，捕蠅草的葉片在外界刺激下能夠自主地閉合進(jìn)行捕食，并在捕食后重新舒展至初始狀態(tài)；含羞草在受到觸碰時，葉片及葉柄收縮下垂，隨后可自發(fā)地恢復(fù)到初始的舒張狀態(tài)。這些生物體的運(yùn)動往往是依托于化學(xué)能驅(qū)動的非平衡態(tài)化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，例如，肌肉通過消耗高能化學(xué)物質(zhì)三磷酸腺苷（ATP）進(jìn)行收縮，并產(chǎn)生廢棄物二磷酸腺苷（ADP），在ATP消耗殆盡后，將自發(fā)地舒張恢復(fù)到原始的松弛狀態(tài)。受生物運(yùn)動的啟發(fā)，在合成系統(tǒng)中構(gòu)筑軟體驅(qū)動器成為當(dāng)下活材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，水凝膠因其與生物組織高度相似的特點(diǎn)成為構(gòu)筑軟體驅(qū)動器的關(guān)鍵材料。然而，目前大多數(shù)基于水凝膠的軟體驅(qū)動器是通過外界刺激信號的人為調(diào)控以實(shí)現(xiàn)在不同熱力學(xué)平衡狀態(tài)之間切換的驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式所表現(xiàn)出的自主運(yùn)動能力相對于生物系統(tǒng)而言仍然十分有限。


  近日，華東理工大學(xué)郭旭虹教授團(tuán)隊(duì)與合作者報(bào)道了一種由化學(xué)能驅(qū)動的自復(fù)位水凝膠致動器。通過將水凝膠網(wǎng)絡(luò)的親疏水性動態(tài)變化與化學(xué)能驅(qū)動的非平衡態(tài)化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相耦合，在化學(xué)能的驅(qū)動下，水凝膠網(wǎng)絡(luò)由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，進(jìn)而脫水產(chǎn)生收縮；而在化學(xué)能消耗殆盡后，水凝膠網(wǎng)絡(luò)又可自發(fā)的恢復(fù)至親水狀態(tài)，從而重新吸水溶脹恢復(fù)至初始狀態(tài)（圖1）。相關(guān)研究成果以“Bioinspired Self-Resettable Hydrogel Actuators Powered by a Chemical Fuel”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

 

圖1. 化學(xué)能驅(qū)動自復(fù)位水凝膠致動器設(shè)計(jì)理念


  水凝膠網(wǎng)絡(luò)的親疏水性動態(tài)變化是通過碳二亞胺（EDC）驅(qū)動的羧酸酐可逆生成反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。EDC的加入將水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的親水性羧基轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷缘聂人狒，?dǎo)致水凝膠脫水收縮；在EDC消耗完畢后，羧酸酐因其易自發(fā)水解的特點(diǎn)，將自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性的羧酸狀態(tài)，進(jìn)而使得水凝膠重新吸水溶脹。水凝膠的整個收縮-溶脹過程需要不斷消耗EDC，并且能夠在能量消耗殆盡后自主的恢復(fù)至起始狀態(tài)。通過引入惰性層成功構(gòu)筑了雙層凝膠驅(qū)動器，在EDC的驅(qū)動下，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動器的自主彎曲-舒展，并且凝膠彎曲程度以及整個驅(qū)動周期所持續(xù)的時間可以通過調(diào)控EDC的輸入量進(jìn)行方便地編程。此外，在完成一個驅(qū)動周期后，通過再次加入EDC，可以實(shí)現(xiàn)水凝膠驅(qū)動器的多次自主驅(qū)動過程，表現(xiàn)出良好的可循環(huán)驅(qū)動能力（圖2）。

 

圖2. 化學(xué)能對水凝膠致動器形變程度、驅(qū)動持續(xù)時間和循環(huán)驅(qū)動性的影響


  此外，研究人員還通過模仿自然界中軟體生物的運(yùn)動，創(chuàng)建了各種概念型自復(fù)位軟體機(jī)器人。分別構(gòu)筑了自復(fù)位花朵、仿含羞草以及自復(fù)位凝膠抓手（圖3；視頻1-3）。其中還探索了利用所構(gòu)筑的自復(fù)位凝膠抓手實(shí)現(xiàn)了對物體的可控抓捕和自主釋放。這種由化學(xué)能介導(dǎo)的非平衡態(tài)化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自復(fù)位水凝膠軟體驅(qū)動器策略，有望為具有高度自治能力的“類生命體”型軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供全新的設(shè)計(jì)思路。

 

圖3. 化學(xué)能驅(qū)動的自復(fù)位軟體機(jī)器人


  論文的第一作者為華東理工大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生徐浩，通訊作者為化工學(xué)院王義明教授和機(jī)械與動力學(xué)院軒福貞教授。該工作得到了郭旭虹教授的大力支持與指導(dǎo)。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市教育發(fā)展基金會和上海市教委支持的“晨光計(jì)劃”、上海市自然科學(xué)基金和華東理工大學(xué)創(chuàng)新人才項(xiàng)目的支持。


  全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13368

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