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《Nano-Micro Letters》:用于仿生捕蝇器软致动器的触摸响应水凝胶

高分子技术 凝胶技术
高分子凝胶与网络    2022-09-13    714

摘要

刺激响应水凝胶被认为是下一代先进技术和智能机器人最有前途的智能软材料之一,但刺激的种类有限已成为制约其进一步发展的不可忽视的问题。
中科院宁波材料所-Tao ChenJunjie Wei(通讯作者)团队为智能材料开发了一种新的“触摸”刺激(即与异物的空间接触),并提出了一种基于过饱和盐溶液的受捕蝇器启发的触摸响应聚合物水凝胶,在触摸刺激下表现出结晶、放热和电信号的多种响应行为。此外,利用类似捕蝇草的级联响应策略,通过采用触摸响应水凝胶和热响应水凝胶制造了具有触摸响应驱动的软执行器。这项研究为设计触摸响应智能材料提供了一种简便且通用的策略,从而在智能领域具有深远的潜在应用。相关成果以“Touch‑Responsive Hydrogel for Biomimetic Flytrap‑Like Soft Actuator”为题发表在《Nano-Micro Letters》上。


图文导读

1. 触摸响应智能水凝胶示意图。 具有触摸响应能力的捕蝇器方案。  b-d 触摸响应水凝胶的结构,b 过饱和状态,c 触摸刺激下的异质成核,d 晶态。


2. 触摸响应水凝胶的结晶和过饱和行为。 a 均质成核(ΔG)和异质成核(ΔG*)的成核能垒示意图。  b 触摸响应水凝胶的 DSC -100 80 °C 的范围内,加热和冷却速率为 5 °C min -1  c 显示触摸响应水凝胶的触摸响应结晶过程的照片。  d 偏光显微镜下触摸响应水凝胶的触摸响应结晶过程。 e 触摸响应水凝胶不同状态的XRD图谱,红色光谱为三水醋酸钠的标准光谱。 f 十次结晶熔融循环中触摸响应水凝胶的结晶速率。  g 偏光显微镜图像显示触摸响应水凝胶在 60 °C 加热平台上的熔化过程。


3. 触摸响应智能水凝胶的机理验证。  a 触摸响应水凝胶在不同刺激下的响应行为比较,包括用力大吹但非触摸,用小力轻轻触摸。  b 照片显示了触摸响应水凝胶在橡胶、钢和树枝接触下的触摸响应结晶过程。 c 开放自然环境中过饱和触感水凝胶和结晶触感水凝胶的质量变化。


4. 触摸响应智能水凝胶的图案化结晶。  a 借助图案化掩模在局部区域加水实现触摸响应图案化结晶的示意图。  b 带有枫叶图案的图案化结晶触摸响应水凝胶(厚度为 0.5 毫米)。 右图是图案化结晶触摸响应水凝胶的偏光显微镜图像。  c 具有熊猫图案的图案化结晶触摸响应水凝胶。 d 照片显示了被针刺穿的图案化结晶触摸响应水凝胶的机械性能。


5. 触控响应智能水凝胶在触控刺激下的多响应性。 a 触摸刺激下触摸响应水凝胶的时间相关红外热图像。  b 触摸刺激下触摸响应水凝胶的温度变化曲线,包括触摸位置的温度和整个水凝胶的最高温度。  c 触摸响应水凝胶在结晶过程中的响应放热示意图。 d 触摸响应水凝胶和普通导电聚丙烯酰胺水凝胶与 1 M 醋酸钠在触摸刺激下的相对电流变化。


6. 触摸响应软执行器的制造和表征。  a基于触摸响应智能水凝胶的类捕蝇器触摸响应软执行器示意图。  b 触摸响应软致动器的结构(左)和预拉伸的氯化钙晶体水凝胶在触摸前(中)和触摸后(右)的红外热图像。  c预拉伸CaCl2晶体水凝胶在响应结晶过程中不同位置的温度变化曲线。 A~D位置间距为4mmD~I位置间距为2mm  d 触摸后触摸响应软执行器的弯曲角度变化。 e 触摸响应软执行器在循环弯曲驱动中的稳定性。  f 触摸刺激下触摸响应软执行器的相对电流变化。


小结

综上所述,通过高温下熔融盐水合物中相容单体的聚合和随后的自然冷却过程,战略性地开发了具有仿生触摸响应能力的刺激响应智能水凝胶。利用聚合物基质中过饱和 NaAc 溶液的亚稳定性,由于异质成核在异质表面上的成核能垒较低,因此在触摸刺激下会出现令人吃惊的响应结晶。除了响应结晶之外,触摸响应智能水凝胶还具有优异的响应放热行为和响应电信号,这是由于伴随结晶的物理化学性质的同时变化。更重要的是,基于触摸刺激-热信号-驱动响应性的级联转换,与触摸响应水凝胶和预拉伸相变水凝胶一起使用的类似捕蝇器的触摸响应软执行器在被异物触摸后表现出令人满意的驱动能力。因此,这种基于过饱和盐溶液的触摸响应智能水凝胶不仅为智能材料提供了新的刺激,而且赋予了刺激响应水凝胶多样化的响应能力,在下一代智能技术和设备中具有深远的应用潜力,例如入侵检测器、轨迹跟踪系统和自感知软执行器/机器人。




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