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華東理工大學《ACS AMI》：化學能驅動的仿生自復位水凝膠致動器

2022-10-14 來源：高分子科技

自然界中廣泛存在著能夠自主運動的生物，這些獨特的自主運動能力賦予生物體更好的環境適應能力。例如，捕蠅草的葉片在外界刺激下能夠自主地閉合進行捕食，并在捕食后重新舒展至初始狀態；含羞草在受到觸碰時，葉片及葉柄收縮下垂，隨后可自發地恢復到初始的舒張狀態。這些生物體的運動往往是依托于化學能驅動的非平衡態化學反應網絡實現的，例如，肌肉通過消耗高能化學物質三磷酸腺苷（ATP）進行收縮，并產生廢棄物二磷酸腺苷（ADP），在ATP消耗殆盡后，將自發地舒張恢復到原始的松弛狀態。受生物運動的啟發，在合成系統中構筑軟體驅動器成為當下活材料領域的研究熱點。其中，水凝膠因其與生物組織高度相似的特點成為構筑軟體驅動器的關鍵材料。然而，目前大多數基于水凝膠的軟體驅動器是通過外界刺激信號的人為調控以實現在不同熱力學平衡狀態之間切換的驅動方式，這種驅動方式所表現出的自主運動能力相對于生物系統而言仍然十分有限。

近日，華東理工大學郭旭虹教授團隊與合作者報道了一種由化學能驅動的自復位水凝膠致動器。通過將水凝膠網絡的親疏水性動態變化與化學能驅動的非平衡態化學反應網絡相耦合，在化學能的驅動下，水凝膠網絡由親水轉變為疏水狀態，進而脫水產生收縮；而在化學能消耗殆盡后，水凝膠網絡又可自發的恢復至親水狀態，從而重新吸水溶脹恢復至初始狀態（圖1）。相關研究成果以“Bioinspired Self-Resettable Hydrogel Actuators Powered by a Chemical Fuel”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

圖1. 化學能驅動自復位水凝膠致動器設計理念

水凝膠網絡的親疏水性動態變化是通過碳二亞胺（EDC）驅動的羧酸酐可逆生成反應網絡實現的。EDC的加入將水凝膠網絡中的親水性羧基轉變為疏水性的羧酸酐，導致水凝膠脫水收縮；在EDC消耗完畢后，羧酸酐因其易自發水解的特點，將自發轉變為親水性的羧酸狀態，進而使得水凝膠重新吸水溶脹。水凝膠的整個收縮-溶脹過程需要不斷消耗EDC，并且能夠在能量消耗殆盡后自主的恢復至起始狀態。通過引入惰性層成功構筑了雙層凝膠驅動器，在EDC的驅動下，能夠實現驅動器的自主彎曲-舒展，并且凝膠彎曲程度以及整個驅動周期所持續的時間可以通過調控EDC的輸入量進行方便地編程。此外，在完成一個驅動周期后，通過再次加入EDC，可以實現水凝膠驅動器的多次自主驅動過程，表現出良好的可循環驅動能力（圖2）。

圖2. 化學能對水凝膠致動器形變程度、驅動持續時間和循環驅動性的影響

此外，研究人員還通過模仿自然界中軟體生物的運動，創建了各種概念型自復位軟體機器人。分別構筑了自復位花朵、仿含羞草以及自復位凝膠抓手（圖3；視頻1-3）。其中還探索了利用所構筑的自復位凝膠抓手實現了對物體的可控抓捕和自主釋放。這種由化學能介導的非平衡態化學反應網絡控制的自復位水凝膠軟體驅動器策略，有望為具有高度自治能力的“類生命體”型軟體機器人的設計與開發提供全新的設計思路。

圖3. 化學能驅動的自復位軟體機器人

論文的第一作者為華東理工大學化工學院碩士研究生徐浩，通訊作者為化工學院王義明教授和機械與動力學院軒福貞教授。該工作得到了郭旭虹教授的大力支持與指導。本研究工作得到了國家自然科學基金、上海市教育發展基金會和上海市教委支持的“晨光計劃”、上海市自然科學基金和華東理工大學創新人才項目的支持。

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13368

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（責任編輯：xu）

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