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近日，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院張凱教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系劉吉教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上發(fā)表文章Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing the Interfacial Polymerization，提出了一種受生物代謝啟發(fā)的策略，賦予了人工合成水凝膠材料前所未有的自生長(zhǎng)特性，并以這種自生長(zhǎng)水凝膠為基礎(chǔ)研制了可用于智能驅(qū)動(dòng)和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的致動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了自發(fā)、高效、可控的致動(dòng)功能。

受角質(zhì)蛋白自生長(zhǎng)行為的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)提出了液態(tài)金屬和水性單體溶液界面處的連續(xù)自由基聚合策略，并實(shí)現(xiàn)了水凝膠的自生長(zhǎng)和再生長(zhǎng)（圖1）。團(tuán)隊(duì)以丙烯酰胺（AAm）單體為例，液態(tài)金屬鎵銦合金（EGaIn）作為引發(fā)劑，EGaIn-AAm水溶液界面處可以連續(xù)產(chǎn)生自由基，引發(fā)界面處單體聚合，生成PAAm水凝膠；于此同時(shí)，EGaIn與水反應(yīng)生成氫氣，在PAAm水凝膠形成氣孔，降低水凝膠密度，從而促進(jìn)生長(zhǎng)出的PAAm水凝膠向上移動(dòng)，并在界面處生長(zhǎng)出新的PAAm水凝膠，類似于指甲和頭發(fā)處角質(zhì)蛋白的自生長(zhǎng)現(xiàn)象。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將先前自生長(zhǎng)得到的PAAm水凝膠添加到AAm單體溶液中，發(fā)現(xiàn)水凝膠可以繼續(xù)生長(zhǎng)，表現(xiàn)出連續(xù)再生長(zhǎng)的特征。該團(tuán)隊(duì)也證實(shí)了這一自生長(zhǎng)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(wǎng)絡(luò)（如經(jīng)典的PAAm/alginate韌性水凝膠）。

圖1. 自生長(zhǎng)水凝膠設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法。

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

受這種自然植物“破土而出”啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)將上述自生長(zhǎng)的“動(dòng)力”轉(zhuǎn)化為“驅(qū)動(dòng)力”，設(shè)計(jì)了一種基于自生長(zhǎng)水凝膠的高效致動(dòng)器（圖2e-f），成功將一特定容器打開（約需53N）。現(xiàn)階段，大部分水凝膠致動(dòng)器通常需要光/熱/電等外界能量觸發(fā)，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高含水量自生長(zhǎng)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(qū)動(dòng)力）顯著高于已報(bào)道水凝膠類致動(dòng)器。基于此，這些自生長(zhǎng)水凝膠易于使用、可控、高效，特別適合用于微型設(shè)備或自發(fā)致動(dòng)器。

圖2. 自生長(zhǎng)水凝膠模仿自然藤本植物攀爬行為、作為致動(dòng)器。

北京理工大學(xué)宇航學(xué)院2019級(jí)博士研究生漸南南為論文第一作者，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院張凱教授和南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系劉吉教授為共同通訊。北京理工大學(xué)為論文第一單位。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、廣東大學(xué)教育廳科研平臺(tái)和項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃、深圳市仿生機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省普通高校人體增強(qiáng)與康復(fù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等經(jīng)費(fèi)支持。