久久精品免费观看_欧美日韩精品电影_91看片一区_日日夜夜天天综合

基于此，浙江大學鄭強、吳子良團隊開發了一種能夠以雙模式折疊和扭曲轉變的水凝膠接頭，使復合水凝膠能夠在恒定條件下形成多種變形配置。這些節點具有平面內梯度結構，由作為框架的剛性被動凝膠和作為驅動單元的軟質響應凝膠構成。在外部刺激下，不同凝膠之間的響應不匹配導致具有雙穩態特征的平面進行折疊或扭曲變形。通過與其他凝膠模塊化集成，這些關節可以提供復雜的變形和多穩態配置。這種方法有利于選擇性控制水凝膠的結構和水凝膠的多功能設計設備。該研究以題為“Bistable Joints Enable Morphing of Hydrogel Sheets with Multi-Stable Configurations”的論文發表在最新一期《Advanced Materials》上。

【水凝膠關節的設計和結構】

該水凝膠關節由一個非響應水凝膠poly(methacrylamide-co-methacrylic acid) [P(MAAm-co-MAAc)] 和一個響應水凝膠 poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAm) 構成（圖1）。可以通過特定位置的預膨脹實現瞬時偏屈曲來實現對這些關節變形方向的選擇性控制。當中央響應凝膠的一側用濃鹽溶液預處理時，瞬態全厚度梯度由此建立，導致在被鹽溶液處理后水凝膠關節實現折疊或扭曲。在多個折疊接頭模塊化集成后，復合水凝膠具有多穩態構型，在完整凝膠在鹽溶液處理之前，可以通過特定位置的鹽水處理或定向光照射調節每個接頭的折疊方向來選擇性地控制多穩態構型。然而，當關節被集成到一個閉環中時，自由度和可能配置的數量會因幾何約束而減少。如圖2所示，當多個折疊接頭連接成正方形時，在復合凝膠中僅觀察到三種多層構型。而通過整合多個偏離的折疊接頭，復合凝膠變形為傾斜的之字形或準圓柱螺旋，這是選擇性控制每個偏離折疊接頭 (β = 30°) 的變形方向的結果。

圖1 水凝膠的結構設計與基本變形

圖2. 水凝膠關節的變形

圖3. 水凝膠的多穩態構型

【水凝膠的多穩態構型】

與折疊關節不同，通過設計四個獨立的 P(MAAm-co-MAAc)凝膠硬條被組裝成扭曲接頭的框架，可以對 PNIPAm 凝膠的收縮進行控制（圖3）。在關節的扭曲變形過程中，中央 PNIPAm 凝膠在周圍框架的約束下形成馬鞍狀。遠離鞍面中心的剛性條因此發生大幅度旋轉。在集成多個扭轉接頭后，復合水凝膠具有多穩態構型，可以通過選擇性控制每個接頭的變形方向來調節。如圖 3e 所示，具有五個扭曲接頭的復合凝膠在 1 M 鹽水溶液中形成左手扭曲螺旋。通過切換每個關節的方向，這種凝膠可以逐漸改變其結構從左手螺旋變成右手螺旋。

雙穩態折疊和扭曲接頭的集成使復合凝膠能夠發生更復雜的變形，從而形成多態構型。通過控制每個關節的折疊或扭曲方向，在相同條件下可以獲得四種不同的配置。折疊和扭曲接頭也可以集成到復合凝膠中以形成閉環（圖 4）。如上所述，在一次刺激下能夠變形為相反方向的活動關節，以及在恒定條件下具有多穩態構型的復合凝膠，起源于平面內梯度結構誘導的向上或向下方向屈曲的概率相等。這種設計原則應該適用于其他具有對比機械和響應特性的凝膠。值得注意的是，目前在恒定條件下水凝膠中多穩態構型的形成無法通過其他現有策略來實現。盡管可以在具有明確定義的全厚度梯度的凝膠中獲得復雜的配置，但特定條件下的形狀變形通常是單模的。不同的配置需要單獨的設計來制造不同的凝膠。因此，上述設計原則提供了一種全新的策略，通過雙穩態接頭的模塊化集成在相同條件下在一個凝膠中形成多穩態配置，為設計變形材料提供了一種新的思路。

圖4. 動態沖擊力學性能研究

圖5. 水凝膠的實際應用

【水凝膠的實際應用】

雙穩態接頭的可編程性和復合凝膠的多穩態構型在具有多功能的水凝膠裝置的設計和制備領域具有巨大的應用千里。作者在這里展示了復合水凝膠作為水力發電機產生雙向電流的概念驗證應用。如圖5a所示，葉輪葉片通過雙穩態折疊接頭連接。葉輪在1M鹽溶液中能保持形狀，并能承受水沖的沖擊，產生直流電。然后通過調節接頭的折疊方向可以輕松切換產生電流的方向，而無需制造新的水凝膠葉輪。雙向電流的產生表現為兩個不同顏色的發光二極管 (LED) 的發光，它們串聯組裝并與水力發電機相連（圖 5b）。此外雙穩態折疊接頭的嵌入可以作為水凝膠夾持器和升降器的應用。這種水凝膠夾持器的捕獲和釋放是由中央的雙穩態變形介質控制的。因此，與大多數軟質夾持器不同，這種凝膠夾持器可以在去除外力后通過咬合來保持其形狀以夾持物體。通過集成多個折疊和扭曲接頭的復合水凝膠的可編程配置也可用于控制激光路徑和調節電路狀態。如圖 5c 所示，復合凝膠由一個扭轉接頭和兩個折疊接頭。凝膠的上半部分是固定的，下半部分裝有一面鏡子。凝膠在 0.95 M 鹽水溶液中平衡后，折疊接頭彎曲 58°，扭轉接頭旋轉 62°。兩個折疊接頭選擇性地向相反方向變形，以保證鏡子的垂直狀態。扭曲和折疊接頭的協同控制可以精確操縱鏡子的位置和方向，從而調節激光路徑并通過光電傳感器選擇性地打開LED（圖 5d）。

總結：作者而在本文中展示了可以進行雙模折疊或扭曲變形的活性水凝膠關節的設計新思路。雙穩態關節的原理適用于軟材料的設計，因此值得生物醫學設備、柔性設備等領域具有廣闊的應用前景。