近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授梅永豐課題組原創(chuàng)性地合成了一種具有動(dòng)態(tài)疏水特征的新型水凝膠智能材料。該水凝膠在水面上可自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需額外能量供給;飽和吸水后該活性水凝膠即停止運(yùn)動(dòng)，干燥處理可恢復(fù)活力，再次實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)快速水面運(yùn)動(dòng)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《科學(xué)—機(jī)器人學(xué)》。
水凝膠是一類(lèi)具有親水基團(tuán)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物智能材料，在水中可以迅速溶脹并在溶脹狀態(tài)可以保持大量體積的水而不溶解。由于水凝膠具有良好的生物相容性和生物系統(tǒng)的相似性，被廣泛用于傷口敷料、隱形眼鏡等日常生活以及組織工程、軟機(jī)器人等前沿研究。然而，由于水凝膠富含親水基團(tuán)，在本征上表現(xiàn)為親水特性，一般不疏水，因此基本不存在具有疏水特征的純水凝膠材料。
“水黽是水生半翅目類(lèi)昆蟲(chóng)，喜棲息于靜水面或溪流緩流水面上。研究人員探索發(fā)現(xiàn)水凝膠運(yùn)動(dòng)機(jī)理和自然界的水黽在水面的運(yùn)動(dòng)存在共通之處，都通過(guò)表面張力的差異驅(qū)動(dòng)自身在水面運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)速率的變化規(guī)律也非常一致。”論文通訊作者梅永豐告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，通過(guò)設(shè)計(jì)活性水凝膠材料的形狀、材料分布的非對(duì)稱(chēng)性和周邊環(huán)境的表面親疏水性，研究人員控制該活性水凝膠材料進(jìn)行各種可控軌跡和定向的運(yùn)動(dòng)，例如模擬球類(lèi)運(yùn)動(dòng)和走出迷宮運(yùn)動(dòng)等。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入新的刺激響應(yīng)性化學(xué)組分，活性水凝膠可以在自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間同步實(shí)現(xiàn)變形，從而智能化地改變相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。例如通過(guò)變形暴露不同潤(rùn)濕特性的側(cè)邊，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于自然界水黽的爬岸動(dòng)作。
同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)潤(rùn)濕特性的水凝膠材料，賦予其新的“活性”運(yùn)動(dòng)特征，展現(xiàn)了一種新穎的致動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)行為。
梅永豐表示，這項(xiàng)成果為柔性軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究提供了新的材料選擇，豐富了水凝膠材料的種類(lèi)，從而可為其在藥物緩釋、組織工程等重要領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的路徑。(黃辛)
關(guān)鍵詞： 仿生水黽自驅(qū)動(dòng)智能材料
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