作為一種新興的仿生材料，刺激響應(yīng)性水凝膠因其靈活的響應(yīng)能力和多樣的調(diào)控手段，近年來受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)階段基于刺激響應(yīng)性水凝膠制備的絕大多數(shù)致動器件往往僅能夠?qū)崿F(xiàn)“刺激-形變”的單向致動調(diào)控過程，這與有機(jī)生命體“識別-判斷-執(zhí)行”的高級智能行為還有較大差距。例如，自然界中的智能生命體可以通過神經(jīng)系統(tǒng)識別外界環(huán)境狀況及自身的姿態(tài)，進(jìn)而決定是否進(jìn)行身體移動；相反，現(xiàn)有柔性致動器件的刺激響應(yīng)形變過程則缺乏有意識的主觀判斷，只能在無干擾的理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成可控的致動驅(qū)動任務(wù)，在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性及其自身所展現(xiàn)的智能性仍有待提高。為了實(shí)現(xiàn)類生命體“識別-判斷-執(zhí)行”的智能致動過程，柔性致動器不僅要具備靈活可控的致動能力，還要具備對其自身形變過程進(jìn)行主動識別的自我感知能力。因此，發(fā)展兼具致動能力和感知能力的新型柔性致動材料，使其不僅能夠在外界環(huán)境刺激下產(chǎn)生可控形變，還能夠?qū)ζ浯碳ろ憫?yīng)性形變過程進(jìn)行自我識別，對實(shí)現(xiàn)類生命體“識別-判斷-執(zhí)行”的智能仿生致動器的制備及應(yīng)用具有巨大的意義。
近日，東北大學(xué)理學(xué)院王鐵強(qiáng)副教授、孟凡寶教授與吉林大學(xué)張俊虎教授合作，開發(fā)了一種具有仿生自調(diào)節(jié)性能的半互穿海綿狀自感知水凝膠致動器。該工作以溫度誘導(dǎo)微相分離聚合的方法制備了海綿狀的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠，并進(jìn)一步在水凝膠內(nèi)原位氧化聚合導(dǎo)電聚合物聚苯胺（PANI），最終得到半互穿海綿狀水凝膠（Sponge-Like semi-Interpenetrating hydrogel, SL-s-IPN hydrogel）。利用PNIPAM自身的熱響應(yīng)性和PANI良好的光熱轉(zhuǎn)化能力，在施加不同形狀、強(qiáng)度、方向和頻率的近紅外光后，以該材料制備的柔性致動器均能夠在較短的時間內(nèi)完成彎曲，折疊及光線追蹤等多種復(fù)雜動作。值得注意的是，導(dǎo)電聚合物的引入使柔性致動器在發(fā)生光致形變時能夠產(chǎn)生可檢測的實(shí)時電學(xué)信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其對自身形變的自我感知。借助于這種高效的電學(xué)反饋機(jī)制，在連接到由監(jiān)測器，控制系統(tǒng)等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed Loop Control System， CLCS）中后，柔性致動器能夠有效地模仿自然界中智能動物的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)干擾因素時（干擾光或干擾物），致動器能夠迅速地對環(huán)境變化情況進(jìn)行感知和判斷并對其自身形變進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。
圖一、半互穿海綿狀自感知水凝膠的制備、光致形變過程及閉環(huán)控制回路的構(gòu)建
亮點(diǎn)1：海綿狀微觀結(jié)構(gòu)賦予水凝膠超快的響應(yīng)速度和致動行為
本工作利用溫度誘導(dǎo)微相分離聚合的方法，制備了海綿狀的多孔PNIPAM水凝膠。與常規(guī)方法制備的PNIPAM水凝膠相比，該方法制備的PNIPAM凝膠具有更大的比表面積和更為通透的孔結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)為水凝膠內(nèi)部水分子的遷移提供了大量通道，一定程度上降低了傳統(tǒng)PNIPAM水凝膠在LCST附近發(fā)生相變時皮膚層效應(yīng)對其響應(yīng)速度的負(fù)面影響。測試結(jié)果顯示，在去溶脹和溶脹的過程中，海綿狀PNIPAM水凝膠（SL-PNIPAM）和半互穿海綿狀水凝膠（SL-s-IPN）均能夠在5s內(nèi)和10s內(nèi)分別達(dá)到溶脹平衡，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)PNIPAM水凝膠（N-PNIPAM）達(dá)到溶脹平衡的時間（數(shù)十分鐘甚至數(shù)百分鐘）。此外，在近紅外光刺激下，以SL-s-IPN水凝膠制備的光-熱柔性致動器能夠在2s內(nèi)彎曲到最大角度，當(dāng)近紅外光關(guān)閉后，致動器能夠在1s內(nèi)恢復(fù)到初始角度，展現(xiàn)出了極具特色的快速響應(yīng)行為。
圖二、半互穿海綿狀水凝膠退溶脹/溶脹動力學(xué)測試及柔性致動器響應(yīng)速度測試
亮點(diǎn)2：半互穿結(jié)構(gòu)帶來的低遲滯高靈敏電學(xué)自感知性能
本工作利用原位氧化聚合的方式，在海綿狀PNIPAM水凝膠中原位聚合導(dǎo)電聚合物PANI，形成了具有電學(xué)性能的半互穿海綿狀復(fù)合水凝膠。在外界光刺激下，當(dāng)PNIPAM網(wǎng)絡(luò)發(fā)生收縮引起柔性致動器發(fā)生形變時，致動器內(nèi)PANI分子鏈發(fā)生對應(yīng)的遷移，進(jìn)而使其電學(xué)性能產(chǎn)生了相應(yīng)變化，最終實(shí)現(xiàn)對于自身形變的電學(xué)傳感。受益于PNIPAM網(wǎng)絡(luò)與PANI分子鏈之間獨(dú)特的半互穿結(jié)構(gòu)，兩種聚合物材料能夠在接近分子級別的微觀尺度上有效復(fù)合，因此柔性致動器的形變行為與電學(xué)傳感信號幾乎同時產(chǎn)生。結(jié)果顯示，柔性致動器的電學(xué)傳感信號不僅表現(xiàn)出了與其致動行為一致的超快響應(yīng)速度（響應(yīng)時間：約2s；恢復(fù)時間：約1s），也在100次的測試循環(huán)中展現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性及不同刺激強(qiáng)度下的連續(xù)測試能力，在柔性致動器的低遲滯電學(xué)自感知領(lǐng)域展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力。
圖三、半互穿海綿狀水凝膠致動器的電學(xué)自感知性能測試
亮點(diǎn)3：仿生水凝膠致動器自身姿態(tài)的快速自調(diào)節(jié)
在快速致動能力及無遲滯的電學(xué)自感知性能基礎(chǔ)上，通過連接到監(jiān)測器，自動控制系統(tǒng)及可調(diào)諧激光器組成的閉環(huán)控制回路中，半互穿海綿狀自感知水凝膠致動器展現(xiàn)出了與自然界中智能生命體相近的自調(diào)節(jié)行為。在該回路中，半互穿海綿狀自感知水凝膠致動器兼具智能生命體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中感受器和效應(yīng)器的雙重作用，其傳輸?shù)碾娦盘柡徒邮盏募t外光信號依次模擬生物體的傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)，計(jì)算機(jī)對柔性致動器反饋的電學(xué)信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，自動控制芯片作為中樞神經(jīng)采集信號并生成相應(yīng)指令。當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)干擾光或干擾物影響柔性致動器自身的行為姿態(tài)時，利用其反饋出的實(shí)時電學(xué)信號，閉環(huán)系統(tǒng)能夠在無人干預(yù)的情況下對柔性致動器所處的環(huán)境情況進(jìn)行快速判斷，并對其自身的行為和姿態(tài)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)柔性致動器在復(fù)雜環(huán)境中的自適應(yīng)和自修正。
圖四、閉環(huán)控制回路中半互穿海綿狀水凝膠致動器的自我調(diào)節(jié)性能
結(jié)論：該工作利用溫度誘導(dǎo)微相分離聚合和原位氧化聚合，制備了由PNIPAM和PANI組成的半互穿海綿狀自感知水凝膠。以該材料構(gòu)筑成的具有光致形變能力的自感知柔性致動器，表現(xiàn)出高響應(yīng)速率、高度可編程性及實(shí)時自感知等諸多特點(diǎn)。在集成到閉環(huán)控制回路中后，自感知柔性致動器能夠完成與自然界中智能生命體相接近的實(shí)時感知能力和自我調(diào)節(jié)行為。該材料的制備，為下一代智能軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造提供了新的思路。
該成果以“Sponge-Like, Semi-Interpenetrating Self-Sensory Hydrogel for Smart Photothermal-Responsive Soft Actuator with Biomimetic Self-Diagnostic Intelligence” 為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。（https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143515）東北大學(xué)王鐵強(qiáng)副教授、孟凡寶教授與吉林大學(xué)張俊虎教授為文章的共同通訊作者。
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https://authors.elsevier.com/a/1h6Nj4x7R2gMw1
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143515
