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  生物體可以通過細胞的水合/脫水來調節自身的形狀或運動，以響應外部刺激，適應不斷變化的環境。此外，軟體動物(如章魚)和尺蠖也可以通過肌肉收縮和舒張來完成復雜的動作。受這些生物的啟發，研究人員越來越重視研發仿生驅動器和機器人，旨在提高運動敏捷性的集成度，擴展其對非結構化環境的適應性，并實現高工作/功率密度。水凝膠是動植物體的主要成分之一，是由聚合物交聯形成的三維網絡。基于其高含水量以及獨特的類固體性質，水凝膠材料表現出優異的生物相容性，物理化學性能可調、以及易功能化等特點。近年來，人們將智能仿生概念與水凝膠進行結合，制備出多種可感知外界刺激的刺激響應水凝膠材料，其對外界的響應性一般宏觀表現為體積或狀態的突變，呈現出明顯的相轉變行為。然而傳統均一體系的水凝膠材料響應程度單一，表現出均質的響應性，無法滿足高自由度，多樣化的刺激響應需求，進而限制了其在諸多領域中的進一步研究。

  在自然界中，金星捕蠅器通過關閉葉片捕獲獵物，牽牛花扭曲卷須以實現空間的重新定向，蠕蟲經歷彎曲/不彎曲的形狀變形以向前行走，變色龍感知外界危險實現身體顏色的逐漸改變，這些自然生物的幾何形狀以及體表膚色的改變主要歸因于其內部的組分或結構的各向異性。受這些獨特的各向異性結構的啟發，近幾年不同類型的各向異性水凝膠材料設計和制備取得了重大進展。

圖1 各向異性水凝膠的設計策略

  具有各向異性結構/組分的水凝膠材料在外界刺激下可進行各向異性響應，進而實現針對性的形狀改變或者功能變化。作者系統地總結了各向異性水凝膠的設計策略，主要是在于結構（微觀結構或者宏觀自組裝）或者組分（填料或者聚合物鏈）的各向異性分布。典型的設計和制造策略包括重力誘導、電場誘導、磁場誘導、局部圖案化、剪切誘導、聚合物鏈分布和多層結構，相關代表性的各向異性水凝膠材料以及近幾年不同的具有各向異性結構水凝膠所對應的研究體系、聚合方式、力學性能、響應性能、優缺點等也被進一步總結和討論（表1、2）。 

表1 具有不同各向異性結構的典型水凝膠材料

  隨后，從驅動角度來看，有效且高效的驅動和控制是各向異性水凝膠基驅動器和軟體機器人在各種應用中充分發揮潛力的關鍵，目前水凝膠驅動主要涉及到兩種類型：主動驅動和被動驅動。主動驅動包括滲透壓驅動和彈性勢能驅動，是指水凝膠在外界刺激下主動進行分子或結構變化。被動驅動涉及到響應性顆粒驅動和氣動/液壓驅動，其中水凝膠作為載體，通過氣動/液壓或響應性顆粒等主動驅動源，被動地面對外部刺激并進行變形。典型的具有不同驅動和控制方式的水凝膠驅動器如表3所示。 

表3 典型的具有不同驅動和控制方式的水凝膠驅動器

圖6 多功能水凝膠驅動器

  論文信息：Bio-inspired anisotropic hydrogels and their applications in soft actuators and robots

  Zhen Chen, Huigang Wang, Yunteng Cao, Yujie Chen*, Ozan Akkus, Hezhou Liu, 

Changyong (Chase) Cao*

  Matter

  https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.011