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        寧波材料所在仿捕蠅草觸摸響應水凝膠軟驅動器領域取得進展
        作者:,日期:2022-09-11

          由于具有類生命體的軟、濕特性,通過化學修飾、功能復合、特異性結構設計等策略,刺激響應型高分子水凝膠是一類重要的智能材料,在藥物控釋、光學器件、智能表面、柔性傳感與驅動等領域都展現出了巨大的應用潛力。在外部環境如光、熱、磁、電、pH、化學物質等的刺激下,高分子水凝膠會產生相應的形、性變化。自然界中的生物體進一步為智能材料的設計提供了豐富的靈感,例如,捕蠅草對于飛蟲的觸碰刺激可以快速形成電信號響應,從而驅動捕蟲夾的閉合。這種觸摸型刺激方式有助于啟發新型仿生智能材料的設計。中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員常年致力于功能與智能高分子水凝膠的研究工作。近期,受捕蠅草對飛蟲的觸碰刺激響應啟發,該團隊利用過飽和鹽溶液的亞穩定性,開發了一種對觸碰刺激具有多功能響應的新型智能高分子水凝膠,探索了其在智能軟體驅動器上的驅動感知一體化應用。

          該工作通過在傳統水凝膠中引入過飽和的鹽溶液,制備了具有過飽和結晶相變行為的亞穩態智能高分子水凝膠材料。過飽和鹽溶液在均相成核中具有較高的成核能壘,因此該水凝膠中的相變組分在無外界擾動的情況下會以亞穩態的過飽和鹽溶液形式存在高分子網絡框架中。而當有外物接觸該水凝膠時,接觸物可以為過飽和鹽溶液提供異相成核的接觸面,使過飽和鹽溶液能通過成核能壘更低的異相成核途徑輕易形成晶核,從而快速引發結晶,實現觸碰刺激結晶響應。此外,這種觸碰響應結晶后的高分子水凝膠可以通過加熱-冷卻過程恢復過飽和狀態,實現智能高分子水凝膠的“重生”。過飽和是使高分子水凝膠具有結晶行為的基礎,因此,在水凝膠中的局部位置添加水溶液可以實現過飽和鹽溶液在水凝膠中的區域化分布,最終實現智能高分子水凝膠在觸碰刺激下的圖案化結晶,在智能信息平臺的觸碰響應加密-解密領域展現出了一定的應用潛力。

          過飽和鹽溶液的結晶過程伴隨著明顯的放熱現象,因此除了觸碰刺激-結晶響應外,該智能水凝膠同時具有觸碰刺激-放熱響應和觸碰刺激-電信號響應行為。利用這種觸碰刺激-放熱響應性質,該工作仿造捕蠅草的“觸碰刺激-電信號-驅動信號”的級聯響應機制成功設計了一種基于“觸碰刺激-熱信號-驅動信號”的級聯響應模式,最終實現智能高分子水凝膠軟驅動器的觸碰刺激-驅動響應。有趣的是,智能高分子水凝膠的觸碰刺激-電信號響應行為賦予了該智能軟驅動器額外的觸碰感知功能,實現了該智能軟驅動器的感知驅動一體化功能集成,為下一代智能軟體機器人的研究提供了新的思路。

          該工作以題為“Touch-Responsive Hydrogel for Biomimetic Flytrap-Like Soft Actuator”發表在Nano-Micro Letters, 2022, 14, 182上。本研究得到了國家自然科學基金(52103152)、中國博士后科學基金(2021M690157)、寧波市自然科學基金(2121J206)等項目的支持。

        仿生觸碰響應智能水凝膠

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