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逛超市時，貨架上形狀各異、琳琅滿目的果凍總能夠在第一時間吸引小朋友們的注意。不論是普通形狀，還是花朵、小熊等等更為豐富的形狀，都是果凍廠家在生產過程中利用模具固定形成的。如果能讓「果凍」動起來，還能在不同的形狀之間變換，肯定更能引起大家的關注。近期，科研人員就將這一想法變成了現實，而他們所用的這種能夠動起來的「果凍」，被稱為智能變形水凝膠。
什麼是水凝膠？水凝膠在我們日常生活中隨處可見，可以是我們手上的玩具——水寶寶，也可以是我們嘴裡的食物——果凍、龜苓膏、豆腐、珍珠奶茶裡的珍珠，還可以是醫院裡給病人消炎止痛的傷口敷料等等，甚至於生物組織也可看做是水凝膠。簡而言之，水凝膠就是一種含有大量水的軟材料。
圖1 生活中的水凝膠：水寶寶、果凍、珍珠粉圓、水凝膠傷口敷料（圖片來自網絡）
那什麼又是智能變形？自然界中的植物都會在外界環境變化的時候做出相應的反應，比如含羞草在收到觸碰時會合攏葉片，向日葵的花盤會隨著光轉動，生物學上稱之為應激性，在材料學上則稱之為刺激響應，在外界刺激下可以發生形狀變化的材料被稱為智能變形材料。那麼如何讓沒有生命的水凝膠產生智能變形行為？研究人員巧妙地將一些具有刺激響應特性的分子引入到水凝膠體系中，當其受到外界環境刺激時，其分子結構會相應地發生改變，從而在宏觀尺度上表現出水凝膠的體積、形狀等變化。利用這一原理，科研人員再從宏觀與微觀的角度對水凝膠的結構進行設計，就可以得到能夠響應環境變化並改變自身形狀的智能變形水凝膠了。
通常，將兩種在同種刺激下體積變化不一致的水凝膠複合成雙層結構時，伴隨著其中一層凝膠的收縮，雙層水凝膠就能自發地彎曲成圓形，但是這種水凝膠難以實現變形速度的控制、且在外界刺激下僅有一種變形模式。為此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員基於智能變形水凝膠的設計，在雙層結構中引入超分子形狀記憶結構，從而產生了普通雙層水凝膠沒有的意外驚喜。例如，將水凝膠設計成花朵的形狀，通過不同的處理方式，水凝膠能夠產生不同的變形速度，將它們疊加在一起放在溫水中就能夠如同自然界中的花朵一樣依次閉合。
仿生花朵的逐級閉合
除了可以控制水凝膠變形的速度，通過水凝膠的形狀記憶行為還可以實現更為複雜多變的變形行為。研究人員通過巧妙的構思使得條狀的凝膠可以產生「千變萬化」，通過形狀記憶過程和離子局部處理，可以讓凝膠看上去與原來的形狀一樣，也可以使凝膠變身成為拐杖、V形等臨時形狀。形狀雖一樣，但是結構早已發生了變化，在熱的刺激下，看起來沒有發生變化的凝膠條可以變成三角形、6、U等形狀，而拐杖、V形的凝膠則變成了音符、3和愛心的形狀。通過不同的處理方式，甚至可以讓一個條狀的凝膠逐步變成一個「彈簧」。這樣的凝膠就如同西遊記中的孫悟空一樣擁有七十二變，變化無窮，妙趣橫生。
圖2 條狀凝膠的「千變萬化」
圖3 條狀凝膠變身「彈簧」
此外，當將中國傳統的剪紙藝術與智能變形水凝膠結合起來，利用雷射切割機對雙層凝膠進行剪裁，再經過形狀記憶將剪裁後的片狀水凝膠變身為圓筒狀或者拱形之後，在環境的刺激作用下（溫水中），由於水凝膠各個部位的變形速度以及變形程度不一樣，水凝膠片就能變身成為三維立體的燈籠形狀。
圖4 片狀水凝膠通過兩種變形模式均可變成 「燈籠」
研究發現，水凝膠的變形形狀、速度以及程度均可通過調整其形狀記憶後的臨時形狀以及形狀記憶的時間等因素來「定製」。這種通過臨時各向異性結構實現多模式變形的策略大大提高了智能變形水凝膠的可設計性，在軟體機器人和智能變形器件等領域存在著巨大的潛在應用價值。
該研究結果以 Actuating supramolecular shape memorized hydrogel toward programmable shape deformation 為題發表在Small上，並申請了相關專利。
來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
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