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作為一種新興的智能材料，形狀記憶聚合物（SMPs）能響應(yīng)外界刺激從而在臨時形狀與原始形狀之間切換，這種靈活的變形能力使得SMPs在包括生物醫(yī)學(xué)、紡織、柔性電子等許多領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力。

水凝膠由于具有柔性、質(zhì)量輕、生物相容性等諸多優(yōu)點逐漸得到研究者的重視，具有形狀記憶能力的水凝膠（SMHs）的研究逐漸成為智能材料研究的一個重要分支。通過在SMHs引入“可逆開關(guān)”如氫鍵、主客體作用、金屬配位作用等，使水凝膠可對許多刺激如光、熱、化學(xué)、超聲、電場等做出響應(yīng)。

然而，不管是傳統(tǒng)的形狀記憶高分子還是新型的形狀記憶水凝膠，其臨時形狀通常由手動賦予；且在形狀記憶過程中，必須要改變材料的“周圍環(huán)境”（溶液環(huán)境、溫度環(huán)境等），這將顯著抑制形狀記憶高分子的應(yīng)用前景。因此迫切需要開發(fā)一種能夠遠(yuǎn)程可控、程序化操縱形狀記憶材料的新方法。

近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員一直致力于智能變形水凝膠的研究（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1284; Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Research 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Small 2020, 2005461等）。

近期，該團(tuán)隊成功開發(fā)了一種磁、光、熱多場協(xié)同作用的形狀記憶水凝膠，在Wiley旗下智能材料與系統(tǒng)新刊Advanced Intelligent Systems上受邀發(fā)表題為 “Multi-field synergy manipulating soft polymeric hydrogel Transformers” 的研究論文，并得到了wiley旗下Advanced Science News的專題報道（https://www.advancedsciencenews.com/a-magnetically-controlled-hydrogel-for-octopus-like-robots/）。

研究人員開發(fā)了一種新型光、熱、磁控制的水凝膠“變形金剛”，具有非接觸式形狀操縱和定向?qū)Ш教匦裕▓D1）。制備了具有化學(xué)交聯(lián)聚（N-（2-羥乙基）丙烯酰胺）（PHEAA）和可逆交聯(lián)明膠（Gelatin）網(wǎng)絡(luò)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠。明膠是動物膠原的水解產(chǎn)物，鏈段之間存在大量氫鍵，隨著溫度的變化，氫鍵不斷斷裂重組，使得明膠在單鏈和三重螺旋結(jié)構(gòu)之間迅速轉(zhuǎn)變。利用明膠的可逆轉(zhuǎn)變，可以具備熱響應(yīng)形狀記憶性能和自愈合能力。

寧波材料所：變形金剛——“水凝膠運動員”？

圖1. 高分子水凝膠“變形金剛”

在水凝膠中引入Fe3O4納米顆粒，使水凝膠具有光致加熱和磁操控能力。當(dāng)近紅外光（NIR）照射水凝膠時，F(xiàn)e3O4納米粒子不斷地將光轉(zhuǎn)化為熱，使水凝膠被加熱。隨著溫度的升高，明膠的三重螺旋結(jié)構(gòu)會解纏繞成單鏈，與此同時，水凝膠在磁場作用下變形為臨時形狀。

隨著溫度的降低，三螺旋結(jié)構(gòu)再次纏繞以固定臨時形狀。即使撤掉磁場，臨時形狀仍可以繼續(xù)保持。當(dāng)再次用NIR照射水凝膠時，明膠網(wǎng)絡(luò)再次由三螺旋向單鏈轉(zhuǎn)變，從而促使形狀回復(fù)。結(jié)合磁場產(chǎn)生的形狀操控，以及光誘導(dǎo)的形狀固定和回復(fù)，可以實現(xiàn)非接觸式形狀操縱行為。

利用遠(yuǎn)程非接觸式的形狀操控，研究人員制備了一系列水凝膠軟體機器人。由于不同F(xiàn)e3O4納米粒子含量的水凝膠在同一能量密度的NIR照射下，形狀回復(fù)時間不同，研究人員設(shè)計了一朵可以順序分步綻放的花朵以模擬自然界的植物對光的敏感性。受到人健身運動的啟發(fā)，研究人員制作了形態(tài)惟妙的“水凝膠運動員”，它可以在磁場和NIR的協(xié)同作用下進(jìn)行仰臥起坐運動。

此外，由于水凝膠可以被磁鐵引導(dǎo)而運動，研究人員巧妙地設(shè)計了一個三爪軟機器人，它可以在特制的迷宮中運動轉(zhuǎn)向，更有趣的是，當(dāng)軟機器人遇到小于自身寬度的狹縫時，利用磁、光的多場協(xié)同作用，可以暫時性地改變自身形狀并在通過狹縫后迅速恢復(fù)原始形狀（圖1g）。該工作成功實現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控水凝膠形狀變化，為智能變形凝膠的發(fā)展提供了新思路。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃資助項目（2018YFB1105100），國家自然科學(xué)基金（51873223,52073295），中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2017337），中國科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點項目（QYZDB-SSW-SLH036）等項目的支持。

文章來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所。

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