《Science子刊》自发/快速电驱动聚电解质水凝胶可逆跳转形变

【摘要】

捕蝇草和狸藻能够通过快速转变进行快速捕食，激发了各种快速动作的软执行器和机器人的设计。与自然对应物相比，这些设计通常需要直接的力或加压。最近，科研人员 告了一种双稳态圆顶水凝胶结构，能够在电场下自发和可逆地捕捉。与机械力不同，电场不会直接驱动凝胶。相反，它会重新分配引导水分子迁移的移动离子，并使聚电解质水凝胶弯曲。受周围中性凝胶的约束，弹性能量不断积累，直到突然释放，就像自然生物中的过程一样。几个概念验证示例，包括光学开关、快速捕捉器和脉冲泵，旨在展示该装置能够进行关节运动的多功能功能。这项工作应该为设计软机器人、生物医学设备等带来机会。

【图文解析】

通过多步光聚合制备了具有平面梯度结构的复合水凝胶（图1）。中间的聚电解质水凝胶具有较高的溶胀能力，但是受到周围低溶胀水凝胶的限制。因此，聚电解质凝胶在纯水或低浓度盐水中溶胀并发生面外屈曲变形，形成具有双稳态特征的穹顶构型。向上或者向下屈曲的穹顶构型具有相同的弹性能，在外力作用下可以越过能垒，通过快速跳转变形实现构型的切换。将该凝胶置于Na2SO4溶液中并施加电场，凝胶在电场作用下发生可逆的跳转变形。

图1 电场驱动的具有机械双稳态的穹顶水凝胶发生跳转变形。

研究表明，该凝胶的跳转时间受电场强度、聚电解质凝胶荷电密度、Na2SO4溶液浓度的影响。随着电场强度的上升和凝胶荷电密度的下降，跳转时间逐渐减小。而随着盐水浓度的上升，跳转时间呈现先下降后上升的趋势。受限的聚电解质水凝胶的跳转变形与电场驱动自由水凝胶弯曲变形密切相关；在电场作用下，聚阴离子水凝胶靠近正极的一侧发生溶胀，凝胶逐渐向负极方向发生弯曲变形（图2）。

图2 聚电解质水凝胶条的电驱动弯曲变形。

通过模拟自由离子在电场作用下的迁移行为，并将离子浓度分布与凝胶溶胀、收缩行为相耦合，揭示了电场驱动水凝胶跳转变形的机制（图3）。在电场作用下，阳离子向负极移动，导致聚阴离子水凝胶靠近正极一侧发生溶胀，凝胶向负极弯曲但受到几何结构的限制。凝胶内部的能量逐渐累积直到越过能垒，凝胶发生快速跳转变形，在0.1 s内完成构型转换并到达另一稳定状态，该速度接近捕蝇草。

图3 模拟凝胶条和穹顶的电驱动弯曲和跳转变形机制。

利用电场驱动可逆跳转变形，设计了水凝胶光控开关和仿生“捕手”(图4)。通过猎物位置识别、电场自动开启、自发驱动跳转等步骤实现了智能“抓捕”功能。此外，通过光控负反馈机制实现了电场方向的自动切换，进而以具有跳转能力的凝胶作为驱动单元，构筑了具有液体输运功能的“脉冲泵”。

图4 基于电场驱动跳转变形的水凝胶器件。(A, B) 光控开关。(C, D) 仿生“捕手”。(E-F) “脉冲泵”。

参考文献：

DOI: 10.1126/sciadv.abm9608