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圖 1. 脫水和腫脹過程中同時(shí)發(fā)生的硬化和軟化。含水量的變化會(huì)同時(shí)引起水凝膠微觀結(jié)構(gòu)變化的幾個(gè)方面，包括氫鍵抑制、物理抑制和網(wǎng)絡(luò)松弛。約束導(dǎo)致水凝膠的機(jī)械硬化效應(yīng)，而網(wǎng)絡(luò)松弛使水凝膠更柔軟。通過適當(dāng)控制這種并發(fā)的硬化和軟化現(xiàn)象，可以促進(jìn)水凝膠在許多技術(shù)中的應(yīng)用。

將這種方法應(yīng)用于軟機(jī)器人、自組裝以及解釋聚合物物理和植物形態(tài)進(jìn)化的基本機(jī)制方面的現(xiàn)有問題的機(jī)會(huì)是巨大的。這里的第一個(gè)例子是功能柔性結(jié)構(gòu)的四維打印。通過在印跡結(jié)構(gòu)的特定位置打印不同初始水含量的聚合物凝膠，可以在依賴時(shí)間的刺激(脫水或水合)后獲得其他復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。印刷結(jié)構(gòu)的這種形態(tài)轉(zhuǎn)變或自組裝是通過不同區(qū)域之間的剛度差異和膨脹失配來實(shí)現(xiàn)的。預(yù)計(jì)在對(duì)環(huán)境刺激做出反應(yīng)的智能執(zhí)行器和機(jī)器人領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生進(jìn)一步的興趣?？蒲腥藛T展示了在可以執(zhí)行抓取和扭轉(zhuǎn)動(dòng)作的水下手臂中的應(yīng)用。通過制造更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的功能，如設(shè)計(jì)人造魚和靈活的機(jī)器人，制造意大利面，以及模擬植物的生長(zhǎng)。

圖 2. PAAM 水凝膠的機(jī)械響應(yīng)。(A) 硬態(tài)和 (B) 軟態(tài)的 PAAM 水凝膠。(C) 脫水引起的硬化效應(yīng)。制得的含水量均為75%。隨著溶劑的損失，水凝膠的楊氏模量呈指數(shù)增長(zhǎng)。(D) 脫水引起的軟化效果。雖然測(cè)試時(shí)的含水量都是75%，但如果水凝膠經(jīng)過脫水過程，含水量會(huì)更高，水凝膠會(huì)更柔軟。(E) 具有不同制備和測(cè)試含水量的 PAAM 水凝膠的楊氏模量。紅色、綠色和藍(lán)色球體分別代表水凝膠在脫水狀態(tài)、制備狀態(tài)和水合狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。球體大小代表?xiàng)钍夏Ａ康拇笮　?/p>

這種方法的另一個(gè)意義在于揭示了原子級(jí)鏈相互作用模式的本質(zhì)以及在聚合物和聚合物凝膠中它們之間所起的溶劑的作用。它也可用于聚合物材料的設(shè)計(jì)。

圖 6.脫水引起的軟化。(A) 聚合物分子在兩種含水量均為53%的水凝膠中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散半徑。但一個(gè)是準(zhǔn)備好的，而另一個(gè)是脫水的，水分含量為 74%。(B) 這兩種水凝膠的配置草圖。藍(lán)點(diǎn)代表聚合物鏈之間的糾纏和約束。(C) 不同理論模型和實(shí)驗(yàn)之間單軸拉伸結(jié)果的比較。(D) 我們的模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試含水量均為75%，而與配制的含水量不同。