【背景摘要】
變形材料在軟機器人，智能設備等方面具有廣闊的應用前景。在各種設計策略中，摺紙結構被認為是從普通材料的平面設計中獲得複雜3D配置和空前性能的強大工具。先前，浙江大學吳子良課題組4月在《先進材料》期刊上發表題為： 『『KirigamiDesignEnabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch』 』。該文演示了一些kirigami設計用於複合水凝膠片材的可編程，多穩態3D配置。通過光刻聚合，可以製造穿孔的複合水凝膠片，其中在剛性和被動水凝膠框架中對柔軟的活性水凝膠條進行構圖。當浸入水中時，由於溶脹不匹配，膠條彎曲到平面外。在kirigami結構中，由於引入切口而破壞了幾何連續性，因此變形自由度顯著增加。通過控制每個條的屈曲方向，可以在單個複合水凝膠中獲得多種構型。也可以通過使用分層設計的摺紙結構獲得多層配置。通過利用多層凝膠配置來設計電路的多觸點開關。此外，通過在kirigami設計中引入手性來實現旋轉模式。kirigami結構針對可編程變形的通用設計應適用於其他智能材料，從而有望應用於生物醫學設備和柔性電子產品。
【圖文解析】
圖1a中概述了一個代表性過程。矩形框架由堅硬的聚(甲基丙烯醯胺-甲基丙烯酸)[P(MAAm-co-MAAc)]水凝膠製成，以限制柔軟的高溶脹聚(丙烯醯胺-丙烯醯胺基-甲基丙烷磺酸)[P(AAm-co-AMPS)]凝膠條。此外，柔軟的非溶脹聚丙烯醯胺（PAAm）凝膠用作將高溶脹膠條連接到剛性框架的鉸鏈。限制溶脹後，高溶脹的P(AAm-co-AMPS)凝膠條從平面上彎折，採取多種穩定配置之一。
圖1.a）通過多步光刻聚合製備具有kirigami結構的複合水凝膠片。b-d）在沒有（b）和（c,d）預溶脹步驟的情況下，在水中溶脹後複合水凝膠的平面外變形，以控制每個條的屈曲方向。
通過引入更多的屈曲單元(例如，高溶脹凝膠條)和/或更複雜的摺紙設計，可以獲得更複雜的配置。十字形排列的膠條(一個四臂模塊)被用作基本的構建模塊，以演示可編程的3D配置。如圖2a所示，兩個四臂模塊與一個較長的公共臂組合在一起。通過控制每個高溶脹P(AAm-co-AMPS)凝膠條的屈曲方向，可以獲得各種配置(圖2b-d，僅顯示代表性的)。其中，當所有凝膠條向同一方向彎曲並且中央長凝膠條固定在其他彎曲條上時，形成雙層結構(圖2b)。相反，當中央凝膠條向相反方向彎曲時，同一張紙可能不會形成多層結構(圖2c)。因此，控制每個組件的屈曲方向是形成多層配置的關鍵。遵循此設計原則，在複合水凝膠中獲得了三層結構，其中四個四臂模塊和一個固定在第二層元件上的第三層溶脹帶(圖2e，f)。應當指出的是，由於來自第二層的剛性限制較小，第三層凝膠條的撓曲幅度小於較低層的撓曲幅度。除了多層配置外，還可以通過控制特定的高溶脹膠條的屈曲方向來獲得其他不同的配置(圖2g，h)。
圖2. a-h)設計具有兩個(a-d)和四個(e-h)四臂結構單元的複合水凝膠的(a,e)和相應的屈曲後多穩態構型(b-d，f-h)。
穩定構型的形成還受到複合水凝膠元素的影響。如圖3a所示，沒有軟，非溶脹PAAm凝膠作為接頭的複合材料不能保持由預溶脹引起的瞬態構型，在該結構中，中央高溶脹P(AAm-co-AMPS)凝膠條向相反方向彎曲隨後的自由溶脹過程中的其他帶材。它自發地變形為雙層結構，該雙層結構在連接點處具有相對平滑的曲率變化，因此總彈性能量相對較低(圖3b，c)。因此，軟鉸鏈可以通過局部摺疊變形有效地釋放內部應力，這對於編程變形和最終構造非常重要。此外，基本構件的樣式也影響了穩定配置的形成。當基本構件從四臂形狀更改為三臂形狀時，複合凝膠也無法保持編程的配置，因為中央膠條彎曲成與其他膠條相反的方向(圖3d)。由於三臂結構的穩定性差(圖3e，f)，它從屈曲向下變化為向上，從而限制了其他具有清晰特徵和高穩定性的亞穩構形的形成。因此，適當的基本結構以及具有鎖定亞穩態構型能力的軟鉸鏈的結合對於實現具有摺紙結構的複合凝膠的編程多穩態構型至關重要。
圖3.a-f）缺少軟鉸鏈（a-c）和基本結構單元的圖案（d-f）對具有krigami結構的複合凝膠的變形和最終構型的影響。
該策略可以應用於具有特殊分層模式的其他水凝膠，以形成具有鉸接平臺的多層結構。如圖4a所示，兩個硬質凝膠的圓環同心放置並通過溶脹成分連接。由P(MAAm-co-MAAc)凝膠組成的內部剛性環作為第二層的浮動平臺引入，以增強約束。在預溶脹步驟控制選定組件的屈曲方向之後，獲得了不同的多層配置。通過增加層次結構級別，可以實現更複雜的結構。具有可編程多層配置的水凝膠具有廣泛的應用，例如在柔性電子產品中。作為一個及時的例子，設計了一個多觸點開關作為演示，它通過利用複合水凝膠的多穩態配置來控制發光二極體(LED)。該電路如圖4b所示。兩層元件的屈曲方向決定了電極的開/關狀態，這導致四種可能的LED組合點亮(圖4c-f)。
圖4.a)具有多個剛性框架和程序變形的複合水凝膠片材，以形成獨特的多層結構。插圖顯示了用於特定地點的預溶脹的輪廓遮罩的結構。b)圖示和c-f)使用多觸點開關通過利用複合水凝膠的多穩態配置來控制LED的電路的實驗結果。
通過向複合水凝膠中的高溶脹膠條賦予形狀手性，可以多層構造實現平臺旋轉。使用方形框架可以實現更好的可視化。在水中溶脹後，彎曲的凝膠條會變為平面外的 彎曲和扭曲，從而導致中心方形凝膠順時針旋轉15°（圖5a）。該旋轉也可以重疊的多層堆疊。如圖5b所示，d，建設性疊加導致順時針旋轉30°，而破壞 性觀察導致中心元素不旋轉。實驗觀察結果通過數值模擬得到很好的驗證。通過控制屈曲方向，可獲得具有局部旋轉的獨特構造（圖5c）。
圖5.帶有手性彎曲的高溶脹凝膠條的複合水凝膠的局部旋轉的程序化變形。a)在第一層旋轉中心方形凝膠。b–d)在第二層旋轉中心正方形凝膠，每層正添加(b，c)和負添加(d)。
【總結陳述】
總而言之，作者演示了通過kirigami結構對複合水凝膠中的多穩態配置進行編程的設計原理和控制策略。通過結合一系列切口，複合凝膠的相鄰單元之間的幾何連接被解離，從而提供了高度的變形自由度和響應凝膠條的大變形幅度。高溶脹凝膠條的雙穩態屈曲有利於在相同條件下形成複合凝膠的多種3D構型，這是通過現場特定的預溶脹步驟進行編程的。有趣的是，通過在屈曲後將一些凝膠條放置在其他凝膠條上，在具有分層設計的摺紙結構的複合凝膠中形成多層配置。基於這種機制，設計了一種多觸點開關，通過利用複合水凝膠的多穩態配置來控制一組LED。通過在高溶脹膠條中加入手性，將旋轉添加到多層配置中。據悉，在水凝膠中，通過產生激折結構很難實現這些多穩態的構型。改概念和策略應適用於其他可編程配置的智能材料，並可能在柔性電子，生物醫學設備和軟執行器中應用。
【通訊簡介】
吳子良研究員，03年本科畢業於浙江大學化學工程與生物工程學系，06年碩士畢業於華東理工大學化學工程系，10年博士留日獲北海道大學生物系。10-13年先後在多倫多大學，居裡研究所居裡物理化學實驗室，北海道大學先端生命科學研究院從事博士後研究。隨後加入浙江大學高分子科學與工程系，18年升任研究員。吳老師主要從事仿生與功能性高分子水凝膠、彈性體方面的研究，已在Nature Communications、Science Advances、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等期刊發表論文80餘篇。
課題組網頁：
https://person.zju.edu.cn/wuzl/
原文連結：
https://doi.org/10.1002/adma.202000781
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