自然界中種類繁多的動植物不僅有著紛繁多變的形態(tài)，而且能根據(jù)外界環(huán)境的變化而改變自身的形態(tài)。水凝膠由于其軟、濕特性，長期以來被認(rèn)為是智能仿生的理想材料之一，并被用于軟體機(jī)器人、組織工程及藥物遞送等諸多領(lǐng)域。目前，水凝膠驅(qū)動器實現(xiàn)智能變形的方式主要有形狀記憶與驅(qū)動兩種，形狀記憶水凝膠需在外力的作用下變形，并在外界刺激下通過可逆作用的形成固定其臨時形狀；而驅(qū)動水凝膠則可在外界的刺激下自發(fā)產(chǎn)生形變。傳統(tǒng)的水凝膠驅(qū)動器由于使用模板法制備，因此只能在外界的刺激下實現(xiàn)簡單的彎曲形變。近年來科研人員利用光掩模板、圖案化等一系列方法實現(xiàn)了水凝膠多維度的復(fù)雜變形，但是由于水凝膠的各向異性結(jié)構(gòu)在制備時即被賦予，導(dǎo)致水凝膠驅(qū)動器的變形行為（變形程度）無法根據(jù)需要進(jìn)行再次調(diào)整。因此實現(xiàn)水凝膠驅(qū)動器的可編程、多維度復(fù)雜變形對于水凝膠在軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義。

近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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一直致力于智能變形水凝膠的研究（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1284; Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243等）。近期，該團(tuán)隊成功結(jié)合水凝膠的形狀記憶與驅(qū)動功能，在Small上發(fā)表題為“Actuating supramolecular shape memorized hydrogel toward programmable shape deformation”的研究論文。

研究人員利用紫外光分步聚合的方法制備具有雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠，首先通過光引發(fā)聚合構(gòu)建具有形狀記憶能力的海藻酸鈉-聚丙烯酰胺（Alg-PAAm）水凝膠，隨后在其頂部灌入N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）預(yù)聚液并再次光引發(fā)聚合，最終得到具有形狀記憶與驅(qū)動功能的Alg-PAAm/PNIPAm雙層水凝膠驅(qū)動器。

傳統(tǒng)的雙層水凝膠由于其各向異性結(jié)構(gòu)僅分布在垂直于凝膠的方向上，因而在外界刺激作用下只能產(chǎn)生簡單的彎曲變形。研究人員結(jié)合水凝膠的形狀記憶與驅(qū)動功能，通過Alg-PAAm水凝膠的形狀記憶過程賦予了水凝膠多種可擦除的臨時各向異性，而后通過PNIPAm水凝膠的溫度響應(yīng)驅(qū)動過程實現(xiàn)了可編程的多維度復(fù)雜形變。具體而言，例如首先將條狀的凝膠通過外力變形為拐杖狀，而后將其局部浸沒在鐵離子的溶液中以固定其臨時形狀，隨后將凝膠置于60℃的熱水中，伴隨著PNIPAm水凝膠層的收縮，拐杖狀雙層凝膠會自發(fā)地變形成為音符狀。當(dāng)外界溶液溫度降為15℃時，PNIPAm水凝膠層溶脹，雙層凝膠還會回復(fù)到初始的拐杖狀，最后使用乙二胺四乙酸（EDTA）浸泡該凝膠以除去凝膠中的金屬絡(luò)合作用，拐杖狀凝膠將會回復(fù)到初始的條狀，并可用于下一次的形狀編程。除此之外，當(dāng)條狀凝膠被記憶成扭轉(zhuǎn)狀后，水凝膠還可從一維形狀直接變形為三維螺旋狀，并且只需簡單改變扭轉(zhuǎn)方向和扭轉(zhuǎn)角度，水凝膠即可形成諸如左螺旋與右螺旋、以及不同螺旋程度等一系列形狀。

利用水凝膠形狀記憶與驅(qū)動功能的結(jié)合，不僅適用于條狀凝膠，也可以實現(xiàn)片狀凝膠的可編程化變形。例如，研究人員將二維水凝膠薄片沿著Y軸的方向彎曲成圓筒狀并在鐵離子的溶液中將此形狀固定，當(dāng)溫度上升水凝膠發(fā)生驅(qū)動時，由于圓筒狀結(jié)構(gòu)在Y軸方向上彎曲受阻，使得水凝膠只能沿著X軸方向釋放應(yīng)力，從而導(dǎo)致了圓筒狀水凝膠沿著X軸展開成為平板狀，此時Y軸方向的收縮力不再受到水凝膠三維結(jié)構(gòu)的限制，從而實現(xiàn)了在Y軸方向收縮重新變?yōu)閳A筒狀。同樣，若將水凝膠沿X軸彎曲記憶，水凝膠將先沿Y軸展開為平板再沿X軸收縮為圓筒。該過程表現(xiàn)出對水凝膠驅(qū)動方向的良好控制，并且通過有限元分析也印證了結(jié)果的有效性。最后受剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，研究人員利用激光切割機(jī)制備得到了具有剪紙圖案的凝膠。通過外力將凝膠卷起并用鐵離子固定其兩端，水凝膠能保持良好的三維圓筒狀結(jié)構(gòu)，隨后升高外界溫度，中部凝膠發(fā)生收縮并自發(fā)形成三維的燈籠狀。除此之外，也可將凝膠中部記憶成三維拱形結(jié)構(gòu)，同樣在升高外界溫度后，端部水凝膠發(fā)生收縮也可形成三維的燈籠狀，該過程通過合理的形狀編程實現(xiàn)了水凝膠不同三維形狀之間的轉(zhuǎn)變。該工作成功結(jié)合了水凝膠超分子形狀記憶與驅(qū)動功能，實現(xiàn)了水凝膠驅(qū)動器可編程、多維度的形狀轉(zhuǎn)變，為新型智能變形材料的制備與發(fā)展提供了新的思路。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51873223、52073295），中國國家重點研究開發(fā)計劃（2018YFB1105100、2019YFC1606600、2019YFC1606603），中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2017337、2019297）等項目的資助。

圖1 雙層水凝膠的形狀記憶與驅(qū)動功能協(xié)同