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  膨脹引起的形狀變形在自然界中廣泛存在，其原理近年來(lái)已進(jìn)行了深入研究。然而，對(duì)于現(xiàn)有的可溶脹軟材料（例如水凝膠和水溶脹橡膠）來(lái)說(shuō)，在保持較大的彈性模量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大的溶脹率（體積>1000%）仍然具有挑戰(zhàn)性。受生物體中滲透壓驅(qū)動(dòng)膨脹所引起的形狀變化的啟發(fā)，他們?cè)诖藞?bào)告了一種將細(xì)氯化鈉(NaCl)顆粒嵌入Ecoflex^00-10聚合物中所形成的聚合物復(fù)合系統(tǒng)。這種Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000%的可控體積膨脹，同時(shí)保持相對(duì)較高的彈性模量。通過(guò)設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)和控制NaCl顆粒的含量，可以創(chuàng)建能夠實(shí)現(xiàn)連續(xù)可編程變形的可變形結(jié)構(gòu)（Shape-morphing Structure）。最后，通過(guò)使用PDMS膜封裝3D打印聚合物復(fù)合材料圖案，展示了具有視覺(jué)和觸覺(jué)調(diào)節(jié)功能的可編程盲文，用于信息加密。相關(guān)成果以“Bio-inspired Facile Strategy for Programmable Osmosis-driven Shape-morphing Elastomer Composite Structures”為題，發(fā)表在《Materials Horizons》。新加坡南洋理工大學(xué)博士后研究員楊遠(yuǎn)航為第一作者，英國(guó)伯明翰大學(xué)助理教授劉明超及南洋理工大學(xué)助理教授黃長(zhǎng)進(jìn)為共同通訊作者。南洋理工大學(xué)博士生王玥瑩和Marcus Lin博士深度參與了該項(xiàng)目。

  在自然界中，許多生物體通過(guò)響應(yīng)外界環(huán)境的刺激做出形狀或結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)生存、適應(yīng)和進(jìn)化。例如，紫荊花籽莢在濕度變化下會(huì)發(fā)生扭曲運(yùn)動(dòng)，促使種子釋放；含羞草小葉在接觸時(shí)會(huì)迅速收縮；軟體動(dòng)物通過(guò)肌肉收縮和伸展來(lái)調(diào)整姿勢(shì)。這些形狀變化都基于相同的機(jī)制，即通過(guò)調(diào)節(jié)液體的滲透（流入或流出）改變細(xì)胞的尺寸。受到這些自然現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員致力于開(kāi)發(fā)溶劑響應(yīng)的仿生可變形系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在特定溶劑的作用下，可以改變形狀、尺寸或整體形態(tài)，具有廣泛的應(yīng)用前景，包括藥物輸送系統(tǒng)、柔性電子設(shè)備和軟機(jī)器人、以及組織工程等。

  在這一研究領(lǐng)域中，軟體材料的溶脹能力和機(jī)械剛度在設(shè)計(jì)溶劑響應(yīng)可變形系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。過(guò)去的研究主要集中在水凝膠和彈性體上，但它們各自存在一些限制，例如低機(jī)械強(qiáng)度、較差的打印性能等。為了克服這些限制，研究人員設(shè)計(jì)了一種新型聚合物共混系統(tǒng)，通過(guò)將鹽粉摻入彈性體中，使其在水中表現(xiàn)出顯著的溶脹（約3000%體積），同時(shí)保持出色的機(jī)械性能（楊氏模量E=0.02 MPa）。除了選擇溶劑響應(yīng)型材料外，巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對(duì)實(shí)現(xiàn)特定的變形行為至關(guān)重要。通過(guò)利用非均勻溶脹雙層結(jié)構(gòu)中應(yīng)變失配，研究人員成功地設(shè)計(jì)了各種可變形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可編程和部分可逆的三維形狀變化。通過(guò)將可膨脹聚合物復(fù)合材料半嵌入PDMS，模擬了人類手指的順序彎曲。最后，通過(guò)3D打印技術(shù)，展示了基于聚合物復(fù)合材料的可變形系統(tǒng)在信息加密方面的潛在應(yīng)用。這項(xiàng)研究為基于溶脹的智能設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路。

本文亮點(diǎn)：

1.將氯化鈉顆粒嵌入Ecoflex^00-10中，賦予了不可溶脹聚合物在水中的溶脹特性。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)這種機(jī)制，該聚合物復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)3000%的可控體積膨脹率，同時(shí)保持相對(duì)較高的彈性模量。

2.通過(guò)控制氯化鈉顆粒的含量，可以編程調(diào)控溶脹動(dòng)力。采用這種可溶脹聚合物作為活性驅(qū)動(dòng)部件，他們成功設(shè)計(jì)了各種幾何形狀的可變形結(jié)構(gòu)。

3.通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物復(fù)合材料的溶脹特性和幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了順序變形。

4.設(shè)計(jì)了一種可編程盲文作為一項(xiàng)創(chuàng)新示范，其具備信息加密的視覺(jué)和觸覺(jué)調(diào)節(jié)功能。

圖1. Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復(fù)合材料與文獻(xiàn)報(bào)道的其他可溶脹軟材料的體積溶脹能力和相應(yīng)的楊氏模量比較。

圖2. 仿生軟聚合物復(fù)合材料的膨脹機(jī)理和性能。(a)黑木耳因膨脹或脫水而發(fā)生形狀變化。(b)不同滲透壓條件下植物細(xì)胞形狀變化的示意圖。(c) Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復(fù)合材料的溶脹過(guò)程示意圖。(d)圓柱形聚合物復(fù)合材料樣品在水中浸泡3天之后與初始狀態(tài)的對(duì)比。(e-f)圓柱形樣品溶脹過(guò)程的COMSOL模擬。(g) Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復(fù)合材料薄片膨脹3天之后與初始狀態(tài)的對(duì)比。(h) 浸泡在不同溫度的水中聚合物復(fù)合材料薄片（50 wt.% NaCl）的體積溶脹比。(i)樣品厚度和NaCl濃度對(duì)聚合物復(fù)合材料片材在60°C水中的溶脹動(dòng)力學(xué)的影響。

圖3. 聚合物復(fù)合材料-PDMS雙層結(jié)構(gòu)和具有半嵌入聚合物復(fù)合材料條帶的PDMS結(jié)構(gòu)的形狀變形。(a)聚合物復(fù)合材料-PDMS雙層結(jié)構(gòu)浸入水中后的彎曲變形。(b- c)由將聚合物復(fù)合材料條帶半嵌入PDMS中組成的星形結(jié)構(gòu)的形狀變化。(d, e)由將聚合物復(fù)合材料條帶半嵌入PDMS中組成的葉形結(jié)構(gòu)的形狀變化。(f)由于半嵌入的聚合物復(fù)合材料條帶的膨脹，花瓣?duì)?/span>變形結(jié)構(gòu)從二維展開(kāi)狀態(tài)到三維卷曲狀態(tài)的形狀變化。

圖4. 具有半嵌入Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復(fù)合材料條帶的PDMS結(jié)構(gòu)因膨脹引起的連續(xù)形狀變形。(a-c) 半嵌入了可膨脹的Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復(fù)合材料的PDMS條帶在水中浸泡過(guò)程中的形狀和角度變化。(d-f)手指關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的人類手指以及使用聚合物復(fù)合材料作為關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生PDMS手掌結(jié)構(gòu)從直到彎曲的可調(diào)節(jié)過(guò)程。

圖5. 用于信息加密的具有完全嵌入聚合物復(fù)合材料的PDMS結(jié)構(gòu)的制造和演示。(a) 將三維打印的聚合物復(fù)合材料圖案完全嵌入PDMS的制造過(guò)程。(b-c)具有完全嵌入的聚合物復(fù)合材料條帶的PDMS樣品浸入水中后3D表面形態(tài)的演變及其對(duì)應(yīng)的COMSOL模擬。(d- e)具有視覺(jué)和觸覺(jué)調(diào)節(jié)的盲文“NTU”的制造及其信息讀取和消除過(guò)程。

結(jié)論：在這項(xiàng)研究中，他們受到了生物體中由滲透壓驅(qū)動(dòng)的形狀變化的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種由NaCl顆粒和Ecoflex^00-10組成的聚合物復(fù)合材料系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以兼具較大的溶脹比和較高的機(jī)械剛度。他們對(duì)影響溶脹行為的關(guān)鍵因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括浸泡溫度、樣品厚度以及摻雜的NaCl粉末的濃度等。利用聚合物復(fù)合材料優(yōu)越的溶脹性能并采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，他們展示了一種制造可變形結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)便策略。通過(guò)利用不同聚合物之間的應(yīng)變失配，并采用半嵌入結(jié)構(gòu)布局，成功實(shí)現(xiàn)了具有半嵌入的聚合物復(fù)合條帶的PDMS結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)的順序變形，由此產(chǎn)生的形狀變化使他們能夠模擬人類手指以不同角度彎曲的情況。此外，通過(guò)將可膨脹聚合物復(fù)合材料完全封裝在PDMS中，他們展示了聚合物復(fù)合材料在可編程盲文中的應(yīng)用，所展示的可編程盲文為信息加密帶來(lái)了新的實(shí)現(xiàn)方案。這項(xiàng)工作為利用聚合物復(fù)合材料開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新的形狀變形系統(tǒng)和信息加密技術(shù)提供了重要的思路。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01731a

作者簡(jiǎn)介

  楊遠(yuǎn)航（Yuanhang Yang），2022年博士畢業(yè)于美國(guó)弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)，在校期間曾獲得美國(guó)弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)博士論文獎(jiǎng)學(xué)金。同年成為新加坡南洋理工大學(xué)博士后研究員，研究方向包括柔性變形裝置的設(shè)計(jì)及基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)柔性電子等。以第一作者在Materials Horizons, Applied Surface Science, Nanoscale, Advanced Materials Interfaces等國(guó)際期刊發(fā)表論文十余篇。通過(guò)了中國(guó)機(jī)械工程師資格認(rèn)證，獲得過(guò)中國(guó)石油裝備設(shè)計(jì)大賽優(yōu)秀獎(jiǎng)。此外，擔(dān)任《工程科學(xué)學(xué)報(bào)》、《Exploration》、《Journal of Biomaterials》、《中國(guó)材料科學(xué)進(jìn)展》等期刊編委。

  劉明超（Mingchao Liu），英國(guó)伯明翰大學(xué)助理教授。2013年本科畢業(yè)于山東大學(xué)工程力學(xué)系，2018年博士畢業(yè)于清華大學(xué)工程力學(xué)系。2018-2021年受英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓國(guó)際獎(jiǎng)學(xué)金（Newtown International Fellowship）資助于牛津大學(xué)數(shù)學(xué)研究所從事博士后研究，2022-2023年受校長(zhǎng)博士后獎(jiǎng)學(xué)金（Presidential Postdoctoral Fellowship）資助于新加坡南洋理工大學(xué)從事博士后研究，2022年6月加入英國(guó)伯明翰大學(xué)機(jī)械工程系任助理教授。主要研究方向?yàn)槿嵝约?xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，彈性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，力學(xué)超材料與軟體機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)。在PNAS、Matter、Science Advances、Materials Horizons、JMPS、EML等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇。擔(dān)任期刊Extreme Mechanics Letters的社交媒體特任編輯（Special EML Editor for Social Media Engagement）和Soft Science的青年編委（Junior Editorial Board）。

  黃長(zhǎng)進(jìn)（Changjin Huang），新加坡南洋理工大學(xué)助理教授。2008年本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程系，2014年博士畢業(yè)于美國(guó)賓州州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系。2014-2015年于美國(guó)西北大學(xué)從事博士后研究，2016-2018年于美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)從事博士后研究，2018年9月加入新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院任助理教授。主要研究方向?yàn)榧?xì)胞力學(xué)，力學(xué)生物學(xué)，生物-納米材料界面力學(xué)，生物制造。在PNAS、Nano Letters、Science Advances、Materials Horizons、Plant Physiology、EML等國(guó)際期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40多篇。擔(dān)任期刊Extreme Mechanics Letters的Early Career Advisory Board成員和Journal of Micromechanics and Molecular Physics的副編委。