水凝膠致動(dòng)器因其獨(dú)特的柔軟性、響應(yīng)性和生物相容性而被認(rèn)為是肌肉替代和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的有前途的候選者。然而，它們的響應(yīng)速度和致動(dòng)強(qiáng)度等性能很難與人體骨骼肌或彈性體致動(dòng)器相提并論，這種差異源于它們的致動(dòng)機(jī)制?，F(xiàn)有的水凝膠促動(dòng)器大多由溶劑擴(kuò)散誘導(dǎo)的體積變化驅(qū)動(dòng)，因此具有兩個(gè)特點(diǎn)：1）響應(yīng)速度與溶劑擴(kuò)散速度相關(guān)，并且與材料半徑的平方成正比，這限制了大尺寸材料的制造;2）驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度取決于脫脹所做的功，因此具有受溶脹比限制的最大值。因此，大材料尺寸、高響應(yīng)速度和高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的組合很難在單個(gè)水凝膠中實(shí)現(xiàn)。相比之下，人體骨骼肌在整體性能上明顯超過水凝膠致動(dòng)器。肌肉由高效的區(qū)室模式驅(qū)動(dòng)，肌層滑動(dòng)發(fā)生在微響應(yīng)單元中以產(chǎn)生力和變形。這種機(jī)制依賴于名為筋膜的親油組織來協(xié)調(diào)所有響應(yīng)單元，原因是筋膜可以定向其變形并收斂其輸出力。
受骨骼肌的啟發(fā)，來自北京航空航天大學(xué)的學(xué)者在這里報(bào)告了一種有機(jī)水凝膠致動(dòng)器（OHA），它協(xié)同地結(jié)合了定向親水響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和親油通信網(wǎng)絡(luò)。在OHA中，溶劑可以混淆在疏水微域內(nèi)，而驅(qū)動(dòng)可以通過響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的定向變形來完成?；谠摍C(jī)制，OHA表現(xiàn)出0.11 Hz的尺寸獨(dú)立響應(yīng)速度和47.3 kPa的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，超過了傳統(tǒng)的水凝膠（<10−3 Hz和10−1kPa）。采用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）、小角X射線散射（SAXS）和差示掃描量熱儀（DSC）對OHA的體積相變過程進(jìn)行了顯微鏡分析。這些表征揭示了親油網(wǎng)絡(luò)以及響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)如何混淆溶劑并實(shí)現(xiàn)各向異性驅(qū)動(dòng)。本研究認(rèn)為肌肉模擬策略可以拓寬水凝膠致動(dòng)器的現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)機(jī)制，同時(shí)顯著突破其上限效率。相關(guān)文章以“High-Performance Organohydrogel Artificial Muscle with Compartmentalized Anisotropic Actuation Under Microdomain Confinement”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials。
圖1.有機(jī)水凝膠促動(dòng)器的設(shè)計(jì)概念、機(jī)理、制造和結(jié)構(gòu)。A）溶劑擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)均相網(wǎng)絡(luò)水凝膠示意圖。B）人體骨骼肌結(jié)構(gòu)和肌層滑動(dòng)機(jī)制，其中筋膜隔離相鄰肌腈并混淆其驅(qū)動(dòng)方向。C）異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)取向有機(jī)水凝膠的結(jié)構(gòu)。D）傳統(tǒng)水凝膠遵循以下規(guī)則：響應(yīng)時(shí)間與材料半徑的平方成正比
圖2.OHA的驅(qū)動(dòng)速度和應(yīng)變。A）每個(gè)步驟對應(yīng)的制造工藝和SEM圖像。冷凍干燥后對樣品的每個(gè)步驟的SEM圖像進(jìn)行表征，比例尺為25μm。B）在水環(huán)境中驅(qū)動(dòng)的OHA和HA的比較。C） 在 16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50% 和 66% 的親油網(wǎng)絡(luò)比下測試的 OHA 的驅(qū)動(dòng)頻率和應(yīng)變 D） OHA 和 E） HA 在 15 至 60 ℃ 的正十六烷中驅(qū)動(dòng)。
圖3.OHA的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。A） OHA的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，在10 mm min−1，25°C的速度下進(jìn)行測試。b） 等距模型測試裝置示意圖。C）拉伸比范圍為1至6的有機(jī)水凝膠，純PNIPAM凝膠和雙網(wǎng)絡(luò)VPT凝膠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，通過熱水快速加熱至60°C。D）拉伸比和E）網(wǎng)絡(luò)比的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度曲線。F） 驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度隨拉伸比和親油-親水網(wǎng)絡(luò)比而變化。G） OHA 的周期輸出，由電壓為 0 至 60 V 的電加熱管驅(qū)動(dòng)。H） 有機(jī)水凝膠、濕法紡絲纖維、靜電紡絲纖維、光響應(yīng)凝膠和 VPT 凝膠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)頻率比較。
圖4.軟混淆環(huán)境下OHA相變過程機(jī)理分析.A） CLSM 圖像和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖在 15 到 60℃之間，比例尺為 50 μm。B） OHA 和 PNIPAM 的 DSC 測量，以 5℃ min−1的速率從 15 ℃ 加熱到50 ℃。C） 25 ℃下 OHA 的 ATR-FTIR 光譜。D）恢復(fù)含有彈性或粘度親油網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)水凝膠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。E）OHA與當(dāng)前水凝膠促動(dòng)器的性能比較。F） 水蒸氣驅(qū)動(dòng)過程、加熱和冷卻演示
本研究通過結(jié)合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)制造了高速、高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、大型凝膠致動(dòng)器。親油網(wǎng)絡(luò)的軟混淆效應(yīng)可以概括為三個(gè)部分：i）通過形成疏水致密層在微域中混淆溶劑，將水運(yùn)動(dòng)從遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛獭i）PNIPAM網(wǎng)絡(luò)變形的方向，定向集中驅(qū)動(dòng)力。iii）儲(chǔ)存彈性能以協(xié)助伸長過程。本研究相信OHA的網(wǎng)絡(luò)變形機(jī)理可以為驅(qū)動(dòng)性能的改進(jìn)提供更多空間，拓寬水凝膠促動(dòng)劑的應(yīng)用范圍。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202202193
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
