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近日，北京理工大學宇航學院張凱教授團隊聯合南方科技大學機械與能源工程系劉吉教授團隊在Advanced Materials上發表文章Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing the Interfacial Polymerization，提出了一種受生物代謝啟發的策略，賦予了人工合成水凝膠材料前所未有的自生長特性，并以這種自生長水凝膠為基礎研制了可用于智能驅動和軟體機器人領域的致動器，實現了自發、高效、可控的致動功能。

受角質蛋白自生長行為的啟發，該團隊提出了液態金屬和水性單體溶液界面處的連續自由基聚合策略，并實現了水凝膠的自生長和再生長（圖1）。團隊以丙烯酰胺（AAm）單體為例，液態金屬鎵銦合金（EGaIn）作為引發劑，EGaIn-AAm水溶液界面處可以連續產生自由基，引發界面處單體聚合，生成PAAm水凝膠；于此同時，EGaIn與水反應生成氫氣，在PAAm水凝膠形成氣孔，降低水凝膠密度，從而促進生長出的PAAm水凝膠向上移動，并在界面處生長出新的PAAm水凝膠，類似于指甲和頭發處角質蛋白的自生長現象。

該團隊進一步將先前自生長得到的PAAm水凝膠添加到AAm單體溶液中，發現水凝膠可以繼續生長，表現出連續再生長的特征。該團隊也證實了這一自生長策略適用于多種水凝膠材料體系，包括丙烯酰胺（如AAm）、丙烯酸酯（如甲基丙烯酸2-羥乙基酯，HEMA）和多元網絡（如經典的PAAm/alginate韌性水凝膠）。

圖1. 自生長水凝膠設計原理及實現方法。

隨著水凝膠材料的自發連續生長，在特定的容器管道內，這類自生長水凝膠可以沿著通道向上延伸（圖2a-d），最終到達上層蘋果形容器內。這種水凝膠的自生長行為成功模擬自然爬藤現象，在軟壁攀爬機器人中顯示出巨大的前景。與傳統軟機器人相比，自生長水凝膠在小型彎曲管道方面具有明顯的優勢，尤其是對于那些無法由大型機械操作的微通道。

受這種自然植物“破土而出”啟發，該團隊將上述自生長的“動力”轉化為“驅動力”，設計了一種基于自生長水凝膠的高效致動器（圖2e-f），成功將一特定容器打開（約需53N）。現階段，大部分水凝膠致動器通常需要光/熱/電等外界能量觸發，該團隊研發的高含水量自生長水凝膠（71.5 wt.%）不需要輸入任何額外能量的輸入，而且功率密度（單位體積的驅動力）顯著高于已報道水凝膠類致動器。基于此，這些自生長水凝膠易于使用、可控、高效，特別適合用于微型設備或自發致動器。

圖2. 自生長水凝膠模仿自然藤本植物攀爬行為、作為致動器。

北京理工大學宇航學院2019級博士研究生漸南南為論文第一作者，北京理工大學宇航學院張凱教授和南方科技大學機械與能源工程系劉吉教授為共同通訊。北京理工大學為論文第一單位。該研究得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣東大學教育廳科研平臺和項目、深圳市基礎研究計劃、深圳市仿生機器人與智能系統重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復機器人重點實驗室等經費支持。