中科院宁波材料所陈涛研究员/张佳玮研究员在快速响应水凝胶驱动器方面获得进展

智能响应水凝胶驱动器因其能在外界的刺激下发生形态的转变，而受到国内外学者的广泛关注。近年来，受动植物中各种应激行为的启发，研究人员通过对水凝胶结构的设计，制备了一系列具有多样功能以及程序化变形能力的水凝胶驱动器，并将其逐步应用于软体机器人领域。然而，受到水凝胶的溶胀/去溶胀速度的限制，具有较大尺寸的水凝胶驱动器的变形过程往往较为缓慢，这极大地限制了其在软体机器人领域的应用。因此，如何通过水凝胶的结构设计来提高水凝胶驱动器的变形速度，成为了亟待解决的问题。

针对这一问题，中科院宁波材料所陈涛研究员/张佳玮研究员基于对海绵结构的观察与模仿，设计了一种具有海绵状多孔结构的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶。在制备过程中，水凝胶预聚液首先在-30 ℃的环境下形成冰晶，由于冰晶的存在，单体被排挤出冰晶区域。随后，将水凝胶预聚液的温度升至-5 ℃，此时冰晶外的单体会聚合形成水凝胶。最后，再次提升温度至室温，冰晶会逐步融化从而形成具有海绵状多孔结构的PNIPAm水凝胶。得益于水凝胶中互通的大孔道结构，在凝胶相变时，水凝胶内部的水会因毛细作用而快速地从内部孔道被排出，从而极大地增强其变形速率。在40 ℃热水环境下，PNIPAm凝胶海绵能在7 s内收缩至原来体积的40 %，与传统水凝胶驱动器相比，其驱动速度提升了一个数量级。基于其超快的变形能力，PNIPAm凝胶海绵驱动器能快速地捕捉运动中的物体，并且展示出其在生命救援领域的广阔应用前景。此外，通过引入光热转换组分Fe₃O₄纳米粒子，PNIPAm凝胶海绵还可实现远程控制的一维/二维定向运动，这极大地推动了水凝胶驱动器在构建智能软体机器人方面的进展。

相关研究论文以题为Stimuli-responsive hydrogel sponge for ultrafast responsive actuator发表在科爱旗下的新刊Supramolecular Materials上。通讯作者是中科院宁波材料所陈涛研究员和张佳玮研究员。这项工作得到了国家重点研发计划(2018YFB1105100)、国家自然科学基金 (51873223, 52073295)，中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)的支持。