潮科技 | 水凝膠可控跳躍研究取得進展
編者按：本文是36氪“邊界計劃”的轉載內容，來自微信公眾號 ofollow,noindex">“中科院之聲”（ID: zkyzswx） ，來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所；36氪經授權轉載。
響應型水凝膠在軟溼驅動器、人工肌肉、醫療器械等領域具有廣闊的應用前景。水凝膠驅動器一般由響應型水凝膠製備，具有不對稱構築結構，在電、熱、光、pH 等刺激作用下，會發生體積或形狀變化。通過對器件結構進行精確設計，可實現簡單的抓取、釋放、行走等動作，但耗時長（一般需要數分鐘至數小時）。與工業中常見的電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動相比，如何提高水凝膠驅動器驅動能量轉化效率、提高驅動速度，是水凝膠驅動器領域亟待解決的關鍵問題。
肌肉是典型的柔性生物驅動器，通過收縮和快速伸長而產生強大的爆發力，實現跳躍等動作。受此啟發，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員付俊團隊發展了一種新策略，利用基底對凝膠形變的約束，積累彈效能，並利用介面不穩定性實現能量的爆發性釋放，驅動水凝膠實現可控跳躍。
研究人員製備了粘土交聯和增強的溫敏雙層水凝膠（圖1a），通過調控材料配比，可調控各層的臨界相容溫度（LCST）（圖1b）。在反覆升溫和降溫過程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質差異而發生可逆變形、捲曲（圖1c）。在此過程中，因溶脹程度差異而導致凝膠內產生的彈效能得以緩慢釋放。
研究發現，奈米複合凝膠在多種金屬基底上具有較強的粘附性，與鑄鐵、鋁、不鏽鋼、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，隨著凝膠發生形變，內部不斷積累彈效能；當凝膠內積累的彈效能高於介面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，並在40ms內回彈（圖3）。
研究人員巧妙地將溫度響應行為與介面粘附特性結合，設計製作了具有棘齒結構的金屬導軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過棘齒結構約束凝膠的形變。在升溫過程中，凝膠發生不對稱收縮，產生彎曲傾向；而導軌的棘齒結構阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內部彈效能逐漸積累。當彈效能超越介面黏附能，凝膠瞬間脫離導軌，彈效能快速釋放，驅動凝膠跳躍（圖4）。
研究表明，基於這一原理，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，尖窄的前足有利於減小流體阻力，提高跳躍距離和高度；寬大的後足則意味著需要較多的彈效能克服較大的凝膠/導軌粘附力，導致起跳晚；薄的凝膠對溫度變化的形變響應快，起跳早。在典型例項中（圖5a），跳躍持續時間910ms，跳躍距離10.6mm，跳躍高度2.4mm。
該研究突破了傳統響應型水凝膠的驅動速度受水分子在凝膠網路內擴散速率制約的問題，揭示了一種基於彈效能儲存和爆發性釋放實現水凝膠快速可控驅動的新策略，為高效能柔性驅動器的發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。
該工作得到國家自然科學基金（21574145，51603220）和寧波市自然科學基金（2016A610255）專案的資助。
圖1 （a）雙層水凝膠的結構示意圖，（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/伸展影象
圖2 （a-b）奈米複合水凝膠從鑄鐵、鋁、不鏽鋼、銅基底上90°剝離的單位寬度力-位移曲線，（c）平均粘附能
圖3 奈米複合水凝膠在鋁基板上的粘附與拉伸-回彈
圖4 溫度驅動水凝膠跳躍
圖5 不同構型雙層水凝膠的尺寸示意圖和跳躍圖片