水凝膠,又一篇Science子刊!

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儘管刺激響應型水凝膠具有很大的變形能力，但當用作致動器、智能開關和人造肌肉時，由於滲透壓驅動的傳遞力（~2 kPa）和速度較低，其功率密度較低。

近日，受到許多生物在跳躍過程中能量轉換機制的啟發，中科院蘭州化物所周峰研究員，美國加州大學洛杉磯分校Ximin He報導了通過在聚合物網絡中儲存和釋放彈性勢能，設計了一種彈性驅動的強收縮水凝膠。

文章要點

1）與通常研究的滲透壓驅動智能水凝膠相比，基於彈性儲能和釋放法的彈性驅動智能水凝膠具有更強、更快的收縮（40kPa，25%/min）和更好的力學性能（高彈性模量0.7 MPa，韌性12.7 MJ/m3）。力、速度和彈性模量這三個特性同時提高，從根本上打破了三者之間的矛盾關係，使其輸出能量密度高達15.3 kJ/m3，超過了所有最先進的水凝膠，甚至超過了生物肌肉。

2）研究發現，該彈性儲能和釋能方法使水凝膠材料具有獨特的彈塑性可切換性和複雜的變形可編程性，使得各向異性或各向同性收縮和前所未有的多級變形能力成為可能。這種由彈性元件和智能元件組成的模塊化材料設計具有通用性，可以廣泛應用於各種彈性聚合物和化學反應。

總體而言，儲能-釋能策略解決了滲透性水凝膠長期存在的弱收縮或緩慢收縮的問題，並為合理設計具有多種重構行為的功能強大的智能水凝膠開闢了一條道路。此外，含水、柔軟、可編程和強大的水凝膠材料，在不降低收縮速度的情況下，將提高人工肌肉、軟機器人、柔性設備和生物醫學材料等應用的性能。

 

參考文獻：

Yanfei Ma, et al, Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil, Sci. Adv. 2020

DOI: 10.1126/sciadv.abd2520

http://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabd2520

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