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  近年來(lái)，基于聚合物凝膠人工肌肉材料的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。該種材料的主要優(yōu)點(diǎn)包括: (1) 擁有類似于人體組織的低模量 (1Pa-1MPa)，柔軟; (2) 產(chǎn)生形變的刺激源普遍較溫和。這些優(yōu)點(diǎn)讓這類材料在軟體機(jī)器人，生物醫(yī)藥，環(huán)境能源等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，該類材料面臨了一系列的挑戰(zhàn)包括形變性能較弱，主要體現(xiàn)在形變速率慢，做功密度低等。并且，絕大部分的聚合物凝膠人工肌肉體系都吸水溶脹，而水在干燥條件下的蒸發(fā)影響了材料的應(yīng)用穩(wěn)定性。

圖1  聚合物凝膠人工肌肉的分子設(shè)計(jì)(a)，加捻卷繞(b) 以及形變過(guò)程(c,d)。

  針對(duì)這一系列問(wèn)題，研究者們提出了一種巧妙的材料設(shè)計(jì)方法來(lái)構(gòu)筑新型聚合物凝膠人工肌肉。首先，作者在液晶交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入了親水的聚乙二醇鏈段，基于以下幾種考慮: (1) 由于超強(qiáng)的親水性，只需要很少的聚乙二醇鏈段含量 (10 mol%) 就可以讓聚合物網(wǎng)絡(luò)擁有較高的水溶劑含量 (78 wt%)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的形變性能至關(guān)重要，因?yàn)椴牧系男巫兟蕰?huì)隨著非液晶組分含量的提高而降低; (2) 聚乙二醇鏈段以及溶劑的吸入會(huì)降低液晶轉(zhuǎn)變溫度，因此帶來(lái)的形變溫度降低會(huì)減緩溶劑的蒸發(fā)，這一點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)材料在干燥環(huán)境下的長(zhǎng)期使用: (3) 還有一點(diǎn)值得指出的是聚乙二醇鏈段和溶劑的吸入會(huì)大大降低材料的楊氏模量。

  除了以上的分子設(shè)計(jì)，研究者們還把聚合物網(wǎng)絡(luò)加捻卷繞，做成了纖維狀凝膠人工肌肉。加捻處理實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于使用了丙烯酸雙鍵和氨基之間的麥克爾加成反應(yīng)。作者對(duì)輕度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了加捻處理，其中剩余的丙烯酸雙鍵可以進(jìn)一步和聚合物網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)生成的仲胺加成，從而產(chǎn)生更多的交聯(lián)點(diǎn)穩(wěn)定加捻結(jié)構(gòu)。隨后，為了實(shí)現(xiàn)抗干燥性能，作者在水中引入了適量的甘油。通過(guò)研究表明，該聚合物有機(jī)凝膠擁有優(yōu)異的形變性能，包括高的形變率 (66 %)，快速的形變速率(275 %/s)以及較高的高功率密度 (438 kW/m³)。并且在干燥條件下有不錯(cuò)的穩(wěn)定下。該人工肌肉還擁有類似于皮膚的楊氏模量 (133 kPa)。同時(shí)，作者證明了該類人工肌肉在軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，比如在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了類似于爬蟲的運(yùn)動(dòng)。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202210419