顆粒在線訊：自然界中生物體能夠通過自發(fā)生長，創(chuàng)造出各類復(fù)雜精細(xì)的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的外部環(huán)境。與這類完全動態(tài)和開放的自生長系統(tǒng)相比，合成材料通常處于靜態(tài)和封閉系統(tǒng)中。目前，仿生合成材料可以被賦予類天然材料的智能特性（如刺激響應(yīng)、自適應(yīng)性、自修復(fù)、形狀記憶等），廣泛應(yīng)用于傳感器、軟體機器人、生物醫(yī)學(xué)工程和可穿戴電子設(shè)備等新興領(lǐng)域。

然而，設(shè)計和制造具備可自發(fā)生長特性的合成材料仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。

近日，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院張凱教授團隊聯(lián)合南方科技大學(xué)機械與能源工程系劉吉教授團隊在Advanced Materials 上發(fā)表文章，提出了一種受生物代謝啟發(fā)的策略，賦予了人工合成水凝膠材料前所未有的自生長特性，并以這種自生長水凝膠為基礎(chǔ)研制了可用于智能驅(qū)動和軟體機器人領(lǐng)域的致動器，實現(xiàn)了自發(fā)、高效、可控的致動功能。

受角質(zhì)蛋白自生長行為的啟發(fā)，該團隊提出了液態(tài)金屬和水性單體溶液界面處的連續(xù)自由基聚合策略，并實現(xiàn)了水凝膠的自生長和再生長（圖1）。

團隊以丙烯酰胺（AAm）單體為例，液態(tài)金屬鎵銦合金（EGaIn）作為引發(fā)劑，EGaIn-AAm水溶液界面處可以連續(xù)產(chǎn)生自由基，引發(fā)界面處單體聚合，生成PAAm水凝膠；于此同時，EGaIn與水反應(yīng)生成氫氣，在PAAm水凝膠形成氣孔，降低水凝膠密度，從而促進生長出的PAAm水凝膠向上移動，并在界面處生長出新的PAAm水凝膠，類似于指甲和頭發(fā)處角質(zhì)蛋白的自生長現(xiàn)象。

該團隊進一步將先前自生長得到的PAAm水凝膠添加到AAm單體溶液中，發(fā)現(xiàn)水凝膠可以繼續(xù)生長，表現(xiàn)出連續(xù)再生長的特征。該團隊也證實了這一自生長策略適用于多種水凝膠材料體系，包括丙烯酰胺（如AAm）、丙烯酸酯（如甲基丙烯酸2-羥乙基酯，HEMA）和多元網(wǎng)絡(luò)（如經(jīng)典的PAAm/alginate韌性水凝膠）。

圖1. 自生長水凝膠設(shè)計原理及實現(xiàn)方法

隨著水凝膠材料的自發(fā)連續(xù)生長，在特定的容器管道內(nèi)，這類自生長水凝膠可以沿著通道向上延伸（圖2a-d），最終到達(dá)上層蘋果形容器內(nèi)。這種水凝膠的自生長行為成功模擬自然爬藤現(xiàn)象，在軟壁攀爬機器人中顯示出巨大的前景。與傳統(tǒng)軟機器人相比，自生長水凝膠在小型彎曲管道方面具有明顯的優(yōu)勢，尤其是對于那些無法由大型機械操作的微通道。

受這種自然植物“破土而出”啟發(fā)，該團隊將上述自生長的“動力”轉(zhuǎn)化為“驅(qū)動力”，設(shè)計了一種基于自生長水凝膠的高效致動器（圖2e-f），成功將一特定容器打開（約需53 N）。現(xiàn)階段，大部分水凝膠致動器通常需要光/熱/電等外界能量觸發(fā)，該團隊研發(fā)的高含水量自生長水凝膠（71.5 wt.%）不需要任何額外能量的輸入，而且功率密度（單位體積的驅(qū)動力）顯著高于已報道水凝膠類致動器。

基于此，這些自生長水凝膠易于使用、可控、高效，特別適合用于微型設(shè)備或自發(fā)致動器。

圖2. 自生長水凝膠模仿自然藤本植物攀爬行為、作為致動器

來源：高分子材料科學(xué)