復旦大學梅永豐教授課題組報道新型仿生水黽的自驅動智能材料
水凝膠是一類具有親水基團的三維網絡結構聚合物智能材料，在水中可以迅速溶脹并在溶脹狀態可以保持大量體積的水而不溶解。由于水凝膠具有良好的生物相容性和生物系統的相似性，被廣泛用于傷口敷料、隱形眼鏡等日常生活以及組織工程、軟機器人等前沿研究。然而，由于水凝膠富含親水基團，在本征上表現為親水特性，一般不疏水，因此基本不存在具有疏水特征的純水凝膠材料。
4月14日，復旦大學材料科學系梅永豐教授課題組在《科學·機器人學》（Science Robotics）上發表題為《仿生水黽的自驅動水凝膠》（“Self-powered locomotion of a hydrogel water strider”）的研究工作。博士研究生朱紅為第一作者，梅永豐教授為通訊作者，該工作得到復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程國家重點實驗室共享儀器平臺的大力支持。研究團隊從“0”出發，原創性地合成了一種具有動態疏水特征的新型水凝膠智能材料。該水凝膠在水面上可自驅動運動，無需額外能量供給；飽和吸水后該活性水凝膠即停止運動，干燥處理可恢復活力，再次實現自驅動快速水面運動。
圖1.水黽在水面運動的照片（A），運動機理示意圖（圖A左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（B）；活性水凝膠水黽在水面運動的照片和軌跡圖（C），運動機理示意圖（圖C左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（D）；活性水凝膠水黽在有水的迷宮的水面自發找到出口的運動軌跡照片（E）；刺激響應性活性水凝膠水黽在受到pH刺激變形后靠岸行為的運動軌跡照片（F）及靠岸后的側視照片（圖F右上角插圖）。
研究團隊探索發現其運動機理和自然界的水黽在水面的運動存在共通之處。如圖1A和1C所示，都通過表面張力的差異驅動自身在水面運動；并且如圖1B和1D所示，運動速率的變化規律也非常一致。通過設計活性水凝膠材料的形狀、材料分布的非對稱性和周邊環境的表面親疏水性，研究團隊控制該活性水凝膠材料進行各種可控軌跡和定向的運動，例如模擬球類運動和走出迷宮運動（圖1E）等。進一步，通過引入新的刺激響應性化學組分，活性水凝膠可以在自驅動運動期間同步實現變形，從而智能化地改變相應的運動軌跡；例如通過變形暴露不同潤濕特性的側邊，實現類似于自然界水黽的爬岸動作。研究團隊發明了一種可動態調節潤濕特性的水凝膠材料，賦予其新的“活性”運動特征，展現了一種新穎的致動模式和運動行為。
該工作為柔性軟機器人的設計和研究提供了新的材料選擇，豐富了水凝膠材料的種類，從而可為其在藥物緩釋、組織工程等重要領域的應用提供新的路徑。
文章信息：Hong Zhu, Borui Xu, Yang Wang, Xiaoxia Pan, Zehua Qu, Yongfeng Mei*. Self-powered locomotion of a hydrogel water strider, Science Robotics, 2021, 6: eabe7925.
文章鏈接：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe7925
來源：復旦大學材料系
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