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  生物體可以通過(guò)細(xì)胞的水合/脫水來(lái)調(diào)節(jié)自身的形狀或運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)外部刺激，適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。此外，軟體動(dòng)物(如章魚(yú))和尺蠖也可以通過(guò)肌肉收縮和舒張來(lái)完成復(fù)雜的動(dòng)作。受這些生物的啟發(fā)，研究人員越來(lái)越重視研發(fā)仿生驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人，旨在提高運(yùn)動(dòng)敏捷性的集成度，擴(kuò)展其對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)性，并實(shí)現(xiàn)高工作/功率密度。水凝膠是動(dòng)植物體的主要成分之一，是由聚合物交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)。基于其高含水量以及獨(dú)特的類(lèi)固體性質(zhì)，水凝膠材料表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，物理化學(xué)性能可調(diào)、以及易功能化等特點(diǎn)。近年來(lái)，人們將智能仿生概念與水凝膠進(jìn)行結(jié)合，制備出多種可感知外界刺激的刺激響應(yīng)水凝膠材料，其對(duì)外界的響應(yīng)性一般宏觀(guān)表現(xiàn)為體積或狀態(tài)的突變，呈現(xiàn)出明顯的相轉(zhuǎn)變行為。然而傳統(tǒng)均一體系的水凝膠材料響應(yīng)程度單一，表現(xiàn)出均質(zhì)的響應(yīng)性，無(wú)法滿(mǎn)足高自由度，多樣化的刺激響應(yīng)需求，進(jìn)而限制了其在諸多領(lǐng)域中的進(jìn)一步研究。

  在自然界中，金星捕蠅器通過(guò)關(guān)閉葉片捕獲獵物，牽牛花扭曲卷須以實(shí)現(xiàn)空間的重新定向，蠕蟲(chóng)經(jīng)歷彎曲/不彎曲的形狀變形以向前行走，變色龍感知外界危險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)身體顏色的逐漸改變，這些自然生物的幾何形狀以及體表膚色的改變主要?dú)w因于其內(nèi)部的組分或結(jié)構(gòu)的各向異性。受這些獨(dú)特的各向異性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，近幾年不同類(lèi)型的各向異性水凝膠材料設(shè)計(jì)和制備取得了重大進(jìn)展。

圖1 各向異性水凝膠的設(shè)計(jì)策略

  具有各向異性結(jié)構(gòu)/組分的水凝膠材料在外界刺激下可進(jìn)行各向異性響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的形狀改變或者功能變化。作者系統(tǒng)地總結(jié)了各向異性水凝膠的設(shè)計(jì)策略，主要是在于結(jié)構(gòu)（微觀(guān)結(jié)構(gòu)或者宏觀(guān)自組裝）或者組分（填料或者聚合物鏈）的各向異性分布。典型的設(shè)計(jì)和制造策略包括重力誘導(dǎo)、電場(chǎng)誘導(dǎo)、磁場(chǎng)誘導(dǎo)、局部圖案化、剪切誘導(dǎo)、聚合物鏈分布和多層結(jié)構(gòu)，相關(guān)代表性的各向異性水凝膠材料以及近幾年不同的具有各向異性結(jié)構(gòu)水凝膠所對(duì)應(yīng)的研究體系、聚合方式、力學(xué)性能、響應(yīng)性能、優(yōu)缺點(diǎn)等也被進(jìn)一步總結(jié)和討論（表1、2）。 

表1 具有不同各向異性結(jié)構(gòu)的典型水凝膠材料

  隨后，從驅(qū)動(dòng)角度來(lái)看，有效且高效的驅(qū)動(dòng)和控制是各向異性水凝膠基驅(qū)動(dòng)器和軟體機(jī)器人在各種應(yīng)用中充分發(fā)揮潛力的關(guān)鍵，目前水凝膠驅(qū)動(dòng)主要涉及到兩種類(lèi)型：主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和被動(dòng)驅(qū)動(dòng)。主動(dòng)驅(qū)動(dòng)包括滲透壓驅(qū)動(dòng)和彈性勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，是指水凝膠在外界刺激下主動(dòng)進(jìn)行分子或結(jié)構(gòu)變化。被動(dòng)驅(qū)動(dòng)涉及到響應(yīng)性顆粒驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)/液壓驅(qū)動(dòng)，其中水凝膠作為載體，通過(guò)氣動(dòng)/液壓或響應(yīng)性顆粒等主動(dòng)驅(qū)動(dòng)源，被動(dòng)地面對(duì)外部刺激并進(jìn)行變形。典型的具有不同驅(qū)動(dòng)和控制方式的水凝膠驅(qū)動(dòng)器如表3所示。 

表3 典型的具有不同驅(qū)動(dòng)和控制方式的水凝膠驅(qū)動(dòng)器

圖6 多功能水凝膠驅(qū)動(dòng)器

  論文信息：Bio-inspired anisotropic hydrogels and their applications in soft actuators and robots

  Zhen Chen, Huigang Wang, Yunteng Cao, Yujie Chen*, Ozan Akkus, Hezhou Liu, 

Changyong (Chase) Cao*

  Matter

  https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.011