【前沿報導】
刺激響應水凝膠具有較大的可變形性，但當用作執行器，智能開關和人造肌肉時，由於傳遞力低（2 kPa）和滲透壓驅動速度快，工作密度低。受許多生物在跳躍過程中能量轉換機制的啟發，最近，美國加州大學洛杉磯分校Ximin He和蘭州化物所傑青周峰研究員在《Science》子刊發表Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil一文，他們論述了通過在聚合物網絡中存儲和釋放彈性勢能來設計一種彈性驅動的強收縮水凝膠。它可以在超高工作密度（15.3 kJ/m3）時迅速產生高收縮力（40 kPa），性能優於目前的水凝膠（0.01 kJ/m3）甚至是生物肌肉（8 kJ/m3）。該證明的彈性能量存儲和釋放方法賦予水凝膠以彈性-塑性可切換性，以完全可逆和可編程的方式具有多穩態變形性以及各向異性或各向同性變形。這些水凝膠具有高功率密度和通過這種可定製的模塊化設計進行編程的能力，因此展示了在人造肌肉，可收縮傷口敷料和大功率執行器中廣泛應用的潛力。
【圖文解析】
1.彈性儲能釋放方法和系統的設計
跳躍是由肌肉驅動的許多動物（例如青蛙，袋鼠和兔子）所發起的快速而有力的運動。彈射器機制首先需要肌肉收縮，以通過將化學能消耗到彈性結構中來預先存儲彈性勢能，然後由於彈性後坐力通過釋放存儲的彈性能產生動能來進行關節運動（圖1A）。而且，這種能量釋放-釋放的循環可以無限重複（圖1B）。作為形狀可編輯和可恢復的材料，SMH有潛力成為能量的載體，以類似的方式完成彈性勢能的存儲和釋放。受此能量轉換機制的啟發，並結合水凝膠的形狀記憶效應，作者開發了一種新型的水凝膠，可通過強力收縮產生很大的力。如圖1（B和C）所示，水凝膠被機械拉伸以積累彈性勢能，並且該能量通過在聚合物內形成新的可逆化學鍵而暫時存儲，從而有效地將水凝膠「鎖定」在變形的形狀上。通過施加另一種刺激來「解鎖」先前形成的可逆網絡內鍵，可以動能或其他勢能的形式可控制地釋放存儲的彈性勢能。與滲透驅動的體積相比，這種由能量釋放引起的彈性網絡形狀恢復（彈簧反衝）可以在更高的速度（v）下產生更大的力（F），從而產生更大的功率（P = Fv）。改變常規水凝膠（被動網絡塌陷）。
圖1基於機械能存儲方法的強收縮材料的概念方案。
2.基於彈性能量存儲和釋放的EDG
作者在共聚物p（AAm-co-AAc）中使用聚（丙烯醯胺）（PAAm）作為彈性組分，並使用聚（丙烯酸）（PAAc）作為智能組分作為示例性EDG。丙烯醯胺（AAm）和丙烯酸（AAc）單體以不同比例混合併加熱以進行共價交聯。純PAAm和PAAc水凝膠用作對照樣品。機械拉伸水凝膠並將其浸入氯化鐵（III）溶液中。在這個系統中，第一個刺激Fe3+和羧基形成了配位鍵，將機械拉伸的水凝膠固定在其拉伸的幾何形狀上並存儲了機械能。合理選擇Fe3+羧酸對的原因如下：（i）離子（配位）鍵的可逆性，用於實現彈性網絡的鎖定-解鎖；（ii）高配位係數，用於有效鎖定網絡並有效存儲最大能量；以及（iii）它具有與光解離的多功能性和各種分子刺激，可用於多種驅動模式。次級刺激，紫外線或酸溶液，通過光還原（Fe3+到Fe2+）或質子化（COO-到COOH）使配位鍵不穩定（圖2A）。圖2B顯示了在0.06 M鐵離子溶液中儲能期間，長度變化到其原始長度的160％，以及p（AAm-co-AAc）水凝膠膜的相應顏色變化，然後收縮到原來的長度。1 M酸性溶液，其收縮也可以通過紫外線照射來實現。
圖2基於p（AAm-co-AAc）水凝膠中羧基與鐵離子反應的彈性能存儲和釋放方法的實現。
原始p（AAm-co-AAc）水凝膠在5個循環的加載/卸載後（在300％單軸拉伸下）沒有表現出明顯的滯後現象，並且能夠在卸載後完全恢復到其原始長度，表明水凝膠具有出色的彈性（圖2C）。作為對照樣品，還製備了PAAm-藻酸鹽雙網絡水凝膠。當在Fe3+溶液中浸泡時，p（AAm-co-AAc）水凝膠在相同的加載/卸載測試（保持3分鐘）中顯示出磁滯現象，並且在5個循環中磁滯現象逐漸增加，如應力拉伸曲線所示圖2F中的數據（從圖2G中的數據重新繪製）。這表明，由於Fe3+離子與聚合物鏈上的羧基絡合，這些新形成的鍵有效地鎖定了聚合物網絡，從而將水凝膠固定在預拉伸的長度上。在整個循環中，隨著鎖定/固定位點的增加，未加載的水凝膠能夠將長度保留為更接近預拉伸長度（300％），從157增加到195％，從而表現出更多的塑性行為和滯後現象。
3.按需強烈收縮
為了量化在機械拉伸和化學鎖定下EDG中存儲的彈性勢能，在拉伸過程中記錄了力和長度。 所有機械測試均在室溫下使用帶有4.5 N稱重傳感器的拉伸機在空氣中進行。將水凝膠拉伸至其原始長度的兩倍或三倍，然後通過對力-位移曲線進行積分來計算功。EDG的機械強度對化學交聯密度高度敏感。因此，作者測量了交聯密度在0.02至0.04重量％（wt％）之間變化的200％拉伸EDG後的儲能。正如預期的那樣，所存儲的彈性勢能從5.76 kJ/m3增加到最大10.81 kJ/m3。此外，300％拉伸的EDG能夠存儲31.04 kJ / m3的能量。作為對照，還使用未拉伸的水凝膠（圖3A）。
圖3 EDG的收縮特性。
為了解收縮強度的動力學，通過固定EDG樣品的末端，然後記錄其在刺激（紫外光（320至395 nm，17 W cm-2））下的收縮力來測量收縮力或酸（0.1、0.5和0.25 M）。所有收縮力測試均在室溫下使用帶有0.5 N稱重傳感器的拉伸機在水中進行。獲得收縮強度，即每單位橫截面積的力，並將其用於收縮性能研究，以消除樣品大小對所產生的力的影響。如圖3B所示，在UV輻射（320至395nm，17W cm-2）期間，隨著Fe-羧基鍵的增加量隨著時間的流逝，收縮強度逐漸升高。在相同的紫外線照射時間下，收縮強度隨紫外線照射強度的增加而增加。在60分鐘的紫外線照射下（320至395 nm，17 W cm-2），300％EDG的收縮強度（在儲能期間被拉伸並固定為原始長度的300％）接近40 kPa（圖 3B）。正如預期的那樣，200％拉伸或低交聯密度的樣品顯示出較低的收縮強度。觀察到與收縮強度相似的長度變化動力學（圖3C），證實了動力學。另外，配位鍵的破壞反映在紫外可見光譜中。 200％EDG材料在458 nm處出現明顯的吸收峰，這表明形成了Fe-羧基配位鍵。暴露於紫外光後，吸收峰逐漸降低，並且還伴隨著形狀的恢復。相比之下，未拉伸的水凝膠僅顯示膨脹而不是收縮（負收縮強度和增加的長度；圖3，B和C），進一步證明了通過存儲彈性勢能可以誘導收縮力。
4.各向異性和可編程重新配置
通過水凝膠實現從各向同性向各向異性變形過渡的關鍵因素是材料內部結構的對準，通常通過使用方向性刺激（例如機械力，磁場和電場以及溫度和離子的梯度）合成這種材料。 在這裡，作者發現機械拉伸的EDG的化學固定導致沿拉伸方向形成了微觀纖維（圖4E）。基於這種機理，推測可以通過控制水凝膠中結構纖維的方向，數量和規則性來調整和編程彈性驅動水凝膠的收縮行為。為了在作者的EDG材料中實現這一點，通過在拉伸步驟中改變作用力的大小和方向來編碼不同方向的收縮行為。展示了通過設計不同的加載模式來編程機械域的能力，特別是從圖4A-D的兩種方式到三種和四種方式，調整水凝膠片材中聚合物網絡纖維的數量和規則性。
圖4基於彈性能量存儲和釋放方法的EDG的可編程屬性。
5.應用領域
由於其簡單性和多功能性，用於EDG的彈性能量存儲和釋放系統以及製造方法可以在從軟機器人技術到生物醫學和組織工程的許多領域中實現多種新的可能性。圖5A證明了作者的材料可以製成水凝膠管（原始長度：18.7毫米，原始直徑：4.5毫米），該管能夠收縮到16毫米長，同時在透明塑料管內擴展到5.2毫米寬（內徑：5毫米）。圖5B證明了這種強收縮性水凝膠材料類似於哺乳動物的骨骼肌-不僅在相似的排列結構方面，而且在應力，應變，收縮強度，工作密度，含水量和工作效率等可比特性方面也是如此，並且明顯優於目前的合成水凝膠，其具有類似肌肉的排列結構，可與機械性能媲美，但不具有這種主動的收縮行為。圖5C顯示了a的收縮和癒合過程。連接性EDG材料分別粘附在破裂的玻璃板的兩部分（75毫米乘50毫米乘1毫米）上，並負載20克重。收縮的不可逆特性使癒合過程在溫度或生理條件變化的複雜環境下具有更好的穩定性。通過用作驅動源，EDG也可以應用於驅動其他材料。如圖5D所示，通過使用商業膠將EDG材料與紙粘合來生產水凝膠致動器，並且能夠產生比滲透水凝膠致動器更大的致動力以舉起重量。
圖5 EDG材料通過強的收縮力和高彈性模量得到的應用。
參考文獻：
DOI: 10.1126/sciadv.abd2520
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