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  生物組織普遍存在有序的取向結(jié)構(gòu)，賦予了生物體變形及運動功能。仿生制備含有各向異性結(jié)構(gòu)的軟驅(qū)動器及軟體機器人具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。水凝膠材料具有生物組織類似的特征以及多種刺激響應(yīng)性，是構(gòu)筑具有可控變形能力的軟驅(qū)動器的理想材料。目前，光刻、3D打印等方法可以在水凝膠中構(gòu)筑含有厚度梯度、平面梯度結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了折疊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形。在外界刺激下，響應(yīng)性差異引起的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致材料發(fā)生變形。但是，這些材料通常缺少各向異性結(jié)構(gòu)。盡管通過磁場、剪切等手段可制備含有單一取向結(jié)構(gòu)的水凝膠，構(gòu)筑復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)仍然需通過多步取向、聚合完成，過程比較繁瑣，并且多步聚合產(chǎn)生的界面處易發(fā)生破壞。如何通過簡單方法構(gòu)筑仿生復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)成為變形材料方向的難題。近日，浙江大學(xué)鄭強、吳子良團隊通過采用圖案化電極控制外加電場分布，從而誘導(dǎo)納米片取向，一步制備了含有平面、厚度梯度結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠，并實現(xiàn)了可控變形與運動。

  通過電極圖案的設(shè)計以及電極位置的調(diào)控，在前驅(qū)溶液中形成可控的分布式電場，納米片沿著電場方向取向，聚合之后即得到含有復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合水凝膠。在外界刺激下，各向異性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水凝膠發(fā)生可控變形并形成不同的三維構(gòu)型。

  通過引入納米金球賦予了水凝膠光響應(yīng)性，在動態(tài)光照射下，該水凝膠發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在較低光強下，局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力導(dǎo)致整體凝膠發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)。在更高光強下，凝膠局部扭轉(zhuǎn)更加劇烈，整體發(fā)生翻轉(zhuǎn)。研究表明，凝膠扭轉(zhuǎn)變形幅度和重心變化發(fā)揮了重要作用。因此，激光強度和凝膠長度也會影響旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運動。

  該研究表明，通過控制電場分布誘導(dǎo)納米片取向，可在水凝膠中形成不同梯度的復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)，在動態(tài)刺激下實現(xiàn)可控變形和運動。這種復(fù)雜電場適用于其他荷電粒子，從而控制納米粒子取向、組裝或電泳，所制備的含有功能結(jié)構(gòu)的材料有望應(yīng)用于光學(xué)器件、柔性電子、軟機器人等領(lǐng)域。相關(guān)成果以“Patterned Electrode Assisted One-Step Fabrication of Biomimetic Morphing Hydrogels with Sophisticated Anisotropic Structures”為題發(fā)表于Advanced Science。博士生朱清麗為論文的第一作者，浙江大學(xué)吳子良研究員、拜羅伊特大學(xué)Josef Breu教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102353