響應(yīng)型水凝膠在軟濕驅(qū)動器、人工肌肉、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。水凝膠驅(qū)動器一般由響應(yīng)型水凝膠制備，具有不對稱構(gòu)筑結(jié)構(gòu)，在電、熱、光、pH 等刺激作用下，會發(fā)生體積或形狀變化。通過對器件結(jié)構(gòu)進行精確設(shè)計，可實現(xiàn)簡單的抓取、釋放、行走等動作，但耗時長（一般需要數(shù)分鐘至數(shù)小時）。與工業(yè)中常見的電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動相比，如何提高水凝膠驅(qū)動器驅(qū)動能量轉(zhuǎn)化效率、提高驅(qū)動速度，是水凝膠驅(qū)動器領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

圖1 （a）雙層水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖，（b）凝膠各層平衡溶脹率隨溫度變化曲線，（c）雙層水凝膠可逆彎曲/伸展圖像

肌肉是典型的柔性生物驅(qū)動器，通過收縮和快速伸長而產(chǎn)生強大的爆發(fā)力，實現(xiàn)跳躍等動作。受此啟發(fā)，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員付俊團隊發(fā)展了一種新策略，利用基底對凝膠形變的約束，積累彈性能，并利用界面不穩(wěn)定性實現(xiàn)能量的爆發(fā)性釋放，驅(qū)動水凝膠實現(xiàn)可控跳躍。

研究人員制備了粘土交聯(lián)和增強的溫敏雙層水凝膠（圖1a），通過調(diào)控材料配比，可調(diào)控各層的臨界相容溫度（LCST）（圖1b）。在反復升溫和降溫過程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質(zhì)差異而發(fā)生可逆變形、卷曲（圖1c）。在此過程中，因溶脹程度差異而導致凝膠內(nèi)產(chǎn)生的彈性能得以緩慢釋放。

圖2 （a-b）納米復合水凝膠從鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基底上90°剝離的單位寬度力-位移曲線，（c）平均粘附能

研究發(fā)現(xiàn)，納米復合凝膠在多種金屬基底上具有較強的粘附性，與鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基板之間的粘附能可分別達到17.6、12.8、12.8、7.6 J/m2（圖2）。將凝膠粘附在鋁基板上，可承受較大的拉力。在拉伸過程中，隨著凝膠發(fā)生形變，內(nèi)部不斷積累彈性能；當凝膠內(nèi)積累的彈性能高于界面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，并在40ms內(nèi)回彈（圖3）。

圖3 納米復合水凝膠在鋁基板上的粘附與拉伸-回彈

研究人員巧妙地將溫度響應(yīng)行為與界面粘附特性結(jié)合，設(shè)計制作了具有棘齒結(jié)構(gòu)的金屬導軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過棘齒結(jié)構(gòu)約束凝膠的形變。在升溫過程中，凝膠發(fā)生不對稱收縮，產(chǎn)生彎曲傾向；而導軌的棘齒結(jié)構(gòu)阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內(nèi)部彈性能逐漸積累。當彈性能超越界面黏附能，凝膠瞬間脫離導軌，彈性能快速釋放，驅(qū)動凝膠跳躍（圖4）。

圖4 溫度驅(qū)動水凝膠跳躍

研究表明，基于這一原理，凝膠的跳躍方向由導軌形狀決定，凝膠總是沿著棘齒斜坡斜向上跳。跳躍距離、高度、起跳時間由凝膠的形狀和尺寸決定，尖窄的前足有利于減小流體阻力，提高跳躍距離和高度；寬大的后足則意味著需要較多的彈性能克服較大的凝膠/導軌粘附力，導致起跳晚；薄的凝膠對溫度變化的形變響應(yīng)快，起跳早。在典型實例中（圖5a），跳躍持續(xù)時間910ms，跳躍距離10.6mm，跳躍高度2.4mm。

圖5 不同構(gòu)型雙層水凝膠的尺寸示意圖和跳躍圖片

該研究突破了傳統(tǒng)響應(yīng)型水凝膠的驅(qū)動速度受水分子在凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)擴散速率制約的問題，揭示了一種基于彈性能儲存和爆發(fā)性釋放實現(xiàn)水凝膠快速可控驅(qū)動的新策略，為高性能柔性驅(qū)動器的發(fā)展提供了全新的思路和視角。

近日，該成果以Snap-Buckling Motivated Controllable Jumping of Thermo-Responsive Hydrogel Bilayers為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（2018，DOI: 10.1021/acsami.8b16402）。第一作者為副研究員高國榮，通訊作者為付俊。