材料科学系梅永丰课题组报道新型仿生水黾的自驱动智能材料

作者:摄影: 视频: 来源:材料科学系发布时间:2021-04-15

水凝胶是一类具有亲水基团的三维网络结构聚合物智能材料,在水中可以迅速溶胀并在溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。由于水凝胶具有良好的生物相容性和生物系统的相似性,被广泛用于伤口敷料、隐形眼镜等日常生活以及组织工程、软机器人等前沿研究。然而,由于水凝胶富含亲水基团,在本征上表现为亲水特性,一般不疏水,因此基本不存在具有疏水特征的纯水凝胶材料。

4月14日,复旦大学材料科学系梅永丰教授课题组在《科学·机器人学》(Science Robotics)上发表题为《仿生水黾的自驱动水凝胶》(“Self-powered locomotion of a hydrogel water strider”)的研究工作。博士研究生朱红为第一作者,梅永丰为通讯作者,该工作得到复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程国家重点实验室共享仪器平台的大力支持。

研究团队原创性地合成了一种具有动态疏水特征的新型水凝胶智能材料。该水凝胶在水面上可自驱动运动,无需额外能量供给;饱和吸水后该活性水凝胶即停止运动,干燥处理可恢复活力,再次实现自驱动快速水面运动。

图1.水黾在水面运动的照片(A)运动机理示意图(图A左下角插图)和它运动速率和位移随时间的变化规律

(B)活性水凝胶水黾在水面运动的照片和轨迹图

(C)运动机理示意图(图C左下角插图)和它运动速率和位移随时间的变化规律

(D)活性水凝胶水黾在有水的迷宫的水面自发找到出口的运动轨迹照片

(E)刺激响应性活性水凝胶水黾在受到pH刺激变形后靠岸行为的运动轨迹照片

(F)及靠岸后的侧视照片(图F右上角插图)。

研究团队探索发现其运动机理和自然界的水黾在水面的运动存在共通之处,都通过表面张力的差异驱动自身在水面运动(如图1A和1C所示),并且运动速率的变化规律也非常一致(如图1B和1D所示)。通过设计活性水凝胶材料的形状、材料分布的非对称性和周边环境的表面亲疏水性,研究团队控制该活性水凝胶材料进行各种可控轨迹和定向的运动,例如模拟球类运动和走出迷宫运动(图1E)等。

研究团队发现,通过引入新的刺激响应性化学组分,活性水凝胶可以在自驱动运动期间同步实现变形,从而智能化地改变相应的运动轨迹。例如通过变形暴露不同润湿特性的侧边,实现类似于自然界水黾的爬岸动作。

研究团队发明了一种可动态调节润湿特性的水凝胶材料,赋予其新的“活性”运动特征,展现了一种新颖的致动模式和运动行为。该工作为柔性软机器人的设计和研究提供了新的材料选择,丰富了水凝胶材料的种类,从而可为其在药物缓释、组织工程等重要领域的应用提供新的路径。

论文链接:https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabe7925

制图:实习编辑:边欣月责任编辑:

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