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  膨脹引起的形狀變形在自然界中廣泛存在，其原理近年來已進行了深入研究。然而，對于現(xiàn)有的可溶脹軟材料（例如水凝膠和水溶脹橡膠）來說，在保持較大的彈性模量的同時，實現(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)動膨脹所引起的形狀變化的啟發(fā)，他們在此報告了一種將細氯化鈉(NaCl)顆粒嵌入Ecoflex^00-10聚合物中所形成的聚合物復合系統(tǒng)。這種Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復合材料可以實現(xiàn)高達3000%的可控體積膨脹，同時保持相對較高的彈性模量。通過設計幾何結(jié)構(gòu)和控制NaCl顆粒的含量，可以創(chuàng)建能夠實現(xiàn)連續(xù)可編程變形的可變形結(jié)構(gòu)（Shape-morphing Structure）。最后，通過使用PDMS膜封裝3D打印聚合物復合材料圖案，展示了具有視覺和觸覺調(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博士后研究員楊遠航為第一作者，英國伯明翰大學助理教授劉明超及南洋理工大學助理教授黃長進為共同通訊作者。南洋理工大學博士生王玥瑩和Marcus Lin博士深度參與了該項目。

  在自然界中，許多生物體通過響應外界環(huán)境的刺激做出形狀或結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，以實現(xiàn)生存、適應和進化。例如，紫荊花籽莢在濕度變化下會發(fā)生扭曲運動，促使種子釋放；含羞草小葉在接觸時會迅速收縮；軟體動物通過肌肉收縮和伸展來調(diào)整姿勢。這些形狀變化都基于相同的機制，即通過調(diào)節(jié)液體的滲透（流入或流出）改變細胞的尺寸。受到這些自然現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員致力于開發(fā)溶劑響應的仿生可變形系統(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)，具有廣泛的應用前景，包括藥物輸送系統(tǒng)、柔性電子設備和軟機器人、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械剛度在設計溶劑響應可變形系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。過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，例如低機械強度、較差的打印性能等。為了克服這些限制，研究人員設計了一種新型聚合物共混系統(tǒng)，通過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），同時保持出色的機械性能（楊氏模量E=0.02 MPa）。除了選擇溶劑響應型材料外，巧妙的結(jié)構(gòu)設計也對實現(xiàn)特定的變形行為至關(guān)重要。通過利用非均勻溶脹雙層結(jié)構(gòu)中應變失配，研究人員成功地設計了各種可變形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了可編程和部分可逆的三維形狀變化。通過將可膨脹聚合物復合材料半嵌入PDMS，模擬了人類手指的順序彎曲。最后，通過3D打印技術(shù)，展示了基于聚合物復合材料的可變形系統(tǒng)在信息加密方面的潛在應用。這項研究為基于溶脹的智能設備的發(fā)展提供了新的思路。

本文亮點：

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。實驗證明，通過這種機制，該聚合物復合材料能夠?qū)崿F(xiàn)高達3000%的可控體積膨脹率，同時保持相對較高的彈性模量。

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

3.通過調(diào)節(jié)聚合物復合材料的溶脹特性和幾何設計實現(xiàn)了順序變形。

4.設計了一種可編程盲文作為一項創(chuàng)新示范，其具備信息加密的視覺和觸覺調(diào)節(jié)功能。

圖1. Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復合材料與文獻報道的其他可溶脹軟材料的體積溶脹能力和相應的楊氏模量比較。

圖2. 仿生軟聚合物復合材料的膨脹機理和性能。(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胞形狀變化的示意圖。(c) Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復合材料的溶脹過程示意圖。(d)圓柱形聚合物復合材料樣品在水中浸泡3天之后與初始狀態(tài)的對比。(e-f)圓柱形樣品溶脹過程的COMSOL模擬。(g) Ecoflex^00-10/NaCl聚合物復合材料薄片膨脹3天之后與初始狀態(tài)的對比。(h) 浸泡在不同溫度的水中聚合物復合材料薄片（50 wt.% NaCl）的體積溶脹比。(i)樣品厚度和NaCl濃度對聚合物復合材料片材在60°C水中的溶脹動力學的影響。

圖3. 聚合物復合材料-PDMS雙層結(jié)構(gòu)和具有半嵌入聚合物復合材料條帶的PDMS結(jié)構(gòu)的形狀變形。(a)聚合物復合材料-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合材料條帶的膨脹，花瓣狀變形結(jié)構(gòu)從二維展開狀態(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聚合物復合材料的PDMS條帶在水中浸泡過程中的形狀和角度變化。(d-f)手指關(guān)節(jié)驅(qū)動的人類手指以及使用聚合物復合材料作為關(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)過程。

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

結(jié)論：在這項研究中，他們受到了生物體中由滲透壓驅(qū)動的形狀變化的啟發(fā)，設計了一種由NaCl顆粒和Ecoflex^00-10組成的聚合物復合材料系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以兼具較大的溶脹比和較高的機械剛度。他們對影響溶脹行為的關(guān)鍵因素進行了系統(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。利用聚合物復合材料優(yōu)越的溶脹性能并采用合理的結(jié)構(gòu)設計，他們展示了一種制造可變形結(jié)構(gòu)的簡便策略。通過利用不同聚合物之間的應變失配，并采用半嵌入結(jié)構(gòu)布局，成功實現(xiàn)了具有半嵌入的聚合物復合條帶的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，通過將可膨脹聚合物復合材料完全封裝在PDMS中，他們展示了聚合物復合材料在可編程盲文中的應用，所展示的可編程盲文為信息加密帶來了新的實現(xiàn)方案。這項工作為利用聚合物復合材料開發(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

作者簡介

  楊遠航（Yuanhang Yang），2022年博士畢業(yè)于美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學，在校期間曾獲得美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學博士論文獎學金。同年成為新加坡南洋理工大學博士后研究員，研究方向包括柔性變形裝置的設計及基于3D打印技術(shù)設計柔性電子等。以第一作者在Materials Horizons, Applied Surface Science, Nanoscale, Advanced Materials Interfaces等國際期刊發(fā)表論文十余篇。通過了中國機械工程師資格認證，獲得過中國石油裝備設計大賽優(yōu)秀獎。此外，擔任《工程科學學報》、《Exploration》、《Journal of Biomaterials》、《中國材料科學進展》等期刊編委。

  劉明超（Mingchao Liu），英國伯明翰大學助理教授。2013年本科畢業(yè)于山東大學工程力學系，2018年博士畢業(yè)于清華大學工程力學系。2018-2021年受英國皇家學會牛頓國際獎學金（Newtown International Fellowship）資助于牛津大學數(shù)學研究所從事博士后研究，2022-2023年受校長博士后獎學金（Presidential Postdoctoral Fellowship）資助于新加坡南洋理工大學從事博士后研究，2022年6月加入英國伯明翰大學機械工程系任助理教授。主要研究方向為柔性細長結(jié)構(gòu)力學分析，彈性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，力學超材料與軟體機器人分析與設計。在PNAS、Matter、Science Advances、Materials Horizons、JMPS、EML等期刊上發(fā)表學術(shù)論文30多篇。擔任期刊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）。

  黃長進（Changjin Huang），新加坡南洋理工大學助理教授。2008年本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學熱能與動力工程系，2014年博士畢業(yè)于美國賓州州立大學工程科學與力學系。2014-2015年于美國西北大學從事博士后研究，2016-2018年于美國卡內(nèi)基梅隆大學從事博士后研究，2018年9月加入新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院任助理教授。主要研究方向為細胞力學，力學生物學，生物-納米材料界面力學，生物制造。在PNAS、Nano Letters、Science Advances、Materials Horizons、Plant Physiology、EML等國際期刊上發(fā)表學術(shù)論文40多篇。擔任期刊Extreme Mechanics Letters的Early Career Advisory Board成員和Journal of Micromechanics and Molecular Physics的副編委。