自然界中種(zhǒng)類繁多的動植物不僅有著(zhe)紛繁多變的形态，而且能(néng)根據外界環境的變化而改變自身的形态。水凝膠由于其軟、濕特性，長(cháng)期以來被(bèi)認爲是智能(néng)仿生的理想材料之一，并被(bèi)用于軟體機器人、組織工程及藥物遞送等諸多領域。目前，水凝膠驅動器實現智能(néng)變形的方式主要有形狀記憶與驅動兩(liǎng)種(zhǒng)，形狀記憶水凝膠需在外力的作用下變形，并在外界刺激下通過(guò)可逆作用的形成(chéng)固定其臨時形狀；而驅動水凝膠則可在外界的刺激下自發(fā)産生形變。傳統的水凝膠驅動器由于使用模闆法制備，因此隻能(néng)在外界的刺激下實現簡單的彎曲形變。近年來科研人員利用光掩模闆、圖案化等一系列方法實現了水凝膠多維度的複雜變形，但是由于水凝膠的各向(xiàng)異性結構在制備時即被(bèi)賦予，導緻水凝膠驅動器的變形行爲（變形程度）無法根據需要進(jìn)行再次調整。因此實現水凝膠驅動器的可編程、多維度複雜變形對(duì)于水凝膠在軟體機器人等領域的應用具有重大意義。
近年來，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料課題組陳濤研究員與張佳玮研究員一直緻力于智能(néng)變形水凝膠的研究（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1284; Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243等）。近期，該團隊成(chéng)功結合水凝膠的形狀記憶與驅動功能(néng)，在Small上發(fā)表題爲“Actuating supramolecular shape memorized hydrogel toward programmable shape deformation”的研究論文。
研究人員利用紫外光分步聚合的方法制備具有雙層結構的水凝膠，首先通過(guò)光引發(fā)聚合構建具有形狀記憶能(néng)力的海藻酸鈉-聚丙烯酰胺（Alg-PAAm）水凝膠，随後(hòu)在其頂部灌入N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）預聚液并再次光引發(fā)聚合，最終得到具有形狀記憶與驅動功能(néng)的Alg-PAAm/PNIPAm雙層水凝膠驅動器。
傳統的雙層水凝膠由于其各向(xiàng)異性結構僅分布在垂直于凝膠的方向(xiàng)上，因而在外界刺激作用下隻能(néng)産生簡單的彎曲變形。研究人員結合水凝膠的形狀記憶與驅動功能(néng)，通過(guò)Alg-PAAm水凝膠的形狀記憶過(guò)程賦予了水凝膠多種(zhǒng)可擦除的臨時各向(xiàng)異性，而後(hòu)通過(guò)PNIPAm水凝膠的溫度響應驅動過(guò)程實現了可編程的多維度複雜形變。具體而言，例如首先將(jiāng)條狀的凝膠通過(guò)外力變形爲拐杖狀，而後(hòu)將(jiāng)其局部浸沒(méi)在鐵離子的溶液中以固定其臨時形狀，随後(hòu)將(jiāng)凝膠置于60℃的熱水中，伴随著(zhe)PNIPAm水凝膠層的收縮，拐杖狀雙層凝膠會自發(fā)地變形成(chéng)爲音符狀。當外界溶液溫度降爲15℃時，PNIPAm水凝膠層溶脹，雙層凝膠還(hái)會回複到初始的拐杖狀，最後(hòu)使用乙二胺四乙酸（EDTA）浸泡該凝膠以除去凝膠中的金屬絡合作用，拐杖狀凝膠將(jiāng)會回複到初始的條狀，并可用于下一次的形狀編程。除此之外，當條狀凝膠被(bèi)記憶成(chéng)扭轉狀後(hòu)，水凝膠還(hái)可從一維形狀直接變形爲三維螺旋狀，并且隻需簡單改變扭轉方向(xiàng)和扭轉角度，水凝膠即可形成(chéng)諸如左螺旋與右螺旋、以及不同螺旋程度等一系列形狀。
利用水凝膠形狀記憶與驅動功能(néng)的結合，不僅适用于條狀凝膠，也可以實現片狀凝膠的可編程化變形。例如，研究人員將(jiāng)二維水凝膠薄片沿著(zhe)Y軸的方向(xiàng)彎曲成(chéng)圓筒狀并在鐵離子的溶液中將(jiāng)此形狀固定，當溫度上升水凝膠發(fā)生驅動時，由于圓筒狀結構在Y軸方向(xiàng)上彎曲受阻，使得水凝膠隻能(néng)沿著(zhe)X軸方向(xiàng)釋放應力，從而導緻了圓筒狀水凝膠沿著(zhe)X軸展開(kāi)成(chéng)爲平闆狀，此時Y軸方向(xiàng)的收縮力不再受到水凝膠三維結構的限制，從而實現了在Y軸方向(xiàng)收縮重新變爲圓筒狀。同樣(yàng)，若將(jiāng)水凝膠沿X軸彎曲記憶，水凝膠將(jiāng)先沿Y軸展開(kāi)爲平闆再沿X軸收縮爲圓筒。該過(guò)程表現出對(duì)水凝膠驅動方向(xiàng)的良好(hǎo)控制，并且通過(guò)有限元分析也印證了結果的有效性。最後(hòu)受剪紙藝術的啓發(fā)，研究人員利用激光切割機制備得到了具有剪紙圖案的凝膠。通過(guò)外力將(jiāng)凝膠卷起(qǐ)并用鐵離子固定其兩(liǎng)端，水凝膠能(néng)保持良好(hǎo)的三維圓筒狀結構，随後(hòu)升高外界溫度，中部凝膠發(fā)生收縮并自發(fā)形成(chéng)三維的燈籠狀。除此之外，也可將(jiāng)凝膠中部記憶成(chéng)三維拱形結構，同樣(yàng)在升高外界溫度後(hòu)，端部水凝膠發(fā)生收縮也可形成(chéng)三維的燈籠狀，該過(guò)程通過(guò)合理的形狀編程實現了水凝膠不同三維形狀之間的轉變。該工作成(chéng)功結合了水凝膠超分子形狀記憶與驅動功能(néng)，實現了水凝膠驅動器可編程、多維度的形狀轉變，爲新型智能(néng)變形材料的制備與發(fā)展提供了新的思路。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51873223、52073295），中國(guó)國(guó)家重點研究開(kāi)發(fā)計劃（2018YFB1105100、2019YFC1606600、2019YFC1606603），中國(guó)科學(xué)院青年創新促進(jìn)會（2017337、2019297）等項目的資助。
圖1 雙層水凝膠的形狀記憶與驅動功能(néng)協同
（高分子與複合材料實驗室 陸歡歡）
