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  響應外界刺激并發生結構和形狀變化在自然界中普遍存在，從而賦予生命體系至關重要的響應、驅動和適應功能。這一現象啟發了人們挖掘生物體系適應變形背后的關鍵范式和特征，以進一步指導人工變形材料的設計和合成。水凝膠具有高含水量和水合/脫水介導的可逆體積變化，因此是一類重要的可變形軟材料，在仿生驅動和軟機器人領域展現了巨大的應用潛力。先前的研究工作主要集中在非均質水凝膠結構的合理設計或對外部刺激的復雜操縱上，導致變形水凝膠往往缺乏像生命體那樣的智能性和自適應特征。截至目前，實現恒定外界刺激條件下均質水凝膠的自調節響應行為仍然具有挑戰性。

  近期，中國科學技術大學李闖教授團隊報道了一種在恒定光照下自發反轉變形和運動的均質水凝膠體系。通過合理設計兩種螺吡喃分子并協同修飾到同一種均質水凝膠結構中，在恒定光照條件下實現水凝膠內部凈電荷呈現“正-中性-負”的順序變化，這種分子水平的凈電荷變化進一步導致水凝膠宏觀尺度上的連續體積“收縮-膨脹”變化（圖1）。水凝膠薄膜一旦單側照光，沿厚度方向便會產生時間依賴性的非單調反轉變形梯度，從而在恒定光照下呈現連續瞬時反轉形變，實現了水凝膠自調節的連續“向光-背光”彎曲行為（圖2）。在此基礎上，作者設計構建了一系列生物啟發的雙向變形模型，在恒定光照條件下、無需任何人為控制，水凝膠不僅可以實現自調節雙向變形行為（圖3），同時展示出有前途的自調節雙向滾動運動（圖4）。該工作巧妙的利用兩種螺吡喃的分子電荷變化，實現了宏觀尺度均質水凝膠高度可逆的自調節反轉形變和運動，并在多種分子體系中得到驗證，對在單一恒定刺激下均質水凝膠的非單調形變和雙向運動進行編程，未來有望應用于智能執行器和軟機器人等領域。

圖4 水凝膠在恒定光照條件下的自調節雙向滾動運動

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46100-6