響應(yīng)外界刺激并發(fā)生結(jié)構(gòu)和形狀變化在自然界中普遍存在，從而賦予生命體系至關(guān)重要的響應(yīng)、驅(qū)動和適應(yīng)功能。這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們挖掘生物體系適應(yīng)變形背后的關(guān)鍵范式和特征，以進一步指導(dǎo)人工變形材料的設(shè)計和合成。水凝膠具有高含水量和水合/脫水介導(dǎo)的可逆體積變化，因此是一類重要的可變形軟材料，在仿生驅(qū)動和軟機器人領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。先前的研究工作主要集中在非均質(zhì)水凝膠結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計或對外部刺激的復(fù)雜操縱上，導(dǎo)致變形水凝膠往往缺乏像生命體那樣的智能性和自適應(yīng)特征。截至目前，實現(xiàn)恒定外界刺激條件下均質(zhì)水凝膠的自調(diào)節(jié)響應(yīng)行為仍然具有挑戰(zhàn)性。
近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李闖教授團隊報道了一種在恒定光照下自發(fā)反轉(zhuǎn)變形和運動的均質(zhì)水凝膠體系。通過合理設(shè)計兩種螺吡喃分子并協(xié)同修飾到同一種均質(zhì)水凝膠結(jié)構(gòu)中，在恒定光照條件下實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部凈電荷呈現(xiàn)“正-中性-負”的順序變化，這種分子水平的凈電荷變化進一步導(dǎo)致水凝膠宏觀尺度上的連續(xù)體積“收縮-膨脹”變化（圖1）。水凝膠薄膜一旦單側(cè)照光，沿厚度方向便會產(chǎn)生時間依賴性的非單調(diào)反轉(zhuǎn)變形梯度，從而在恒定光照下呈現(xiàn)連續(xù)瞬時反轉(zhuǎn)形變，實現(xiàn)了水凝膠自調(diào)節(jié)的連續(xù)“向光-背光”彎曲行為（圖2）。在此基礎(chǔ)上，作者設(shè)計構(gòu)建了一系列生物啟發(fā)的雙向變形模型，在恒定光照條件下、無需任何人為控制，水凝膠不僅可以實現(xiàn)自調(diào)節(jié)雙向變形行為（圖3），同時展示出有前途的自調(diào)節(jié)雙向滾動運動（圖4）。該工作巧妙的利用兩種螺吡喃的分子電荷變化，實現(xiàn)了宏觀尺度均質(zhì)水凝膠高度可逆的自調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)形變和運動，并在多種分子體系中得到驗證，對在單一恒定刺激下均質(zhì)水凝膠的非單調(diào)形變和雙向運動進行編程，未來有望應(yīng)用于智能執(zhí)行器和軟機器人等領(lǐng)域。
圖4 水凝膠在恒定光照條件下的自調(diào)節(jié)雙向滾動運動
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46100-6
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