高分子水凝膠驅(qū)動(dòng)材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)具有與生物組織相似的“軟、濕態(tài)”特性的智能高分子材料，它們能夠像生物體一樣“感知”各種外部刺激，從而發(fā)生可逆形變，因而在仿生驅(qū)動(dòng)器、軟質(zhì)機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能。但通常受限于材料自身的成分及結(jié)構(gòu)，這些智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料通常存在難以實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜形變、難以脫離水環(huán)境進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、功能較為單一等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)研究員陳濤和張佳瑋通過(guò)構(gòu)筑系列的非對(duì)稱(chēng)性高分子水凝膠及其復(fù)合材料體系，實(shí)現(xiàn)了其在智能水凝膠驅(qū)動(dòng)器的多功能應(yīng)用。

通過(guò)模仿自然界中生物體的各向異性結(jié)構(gòu)，采用紫外光原位法，他們將氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）復(fù)合水凝膠中的氧化石墨烯局部還原，從而高度可控地獲得了非對(duì)稱(chēng)的各向異性結(jié)構(gòu)。以其為模板，在水凝膠未還原區(qū)域引入具有不同刺激響應(yīng)性的第二網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多重響應(yīng)（熱、光、離子強(qiáng)度和pH響應(yīng)）的3D復(fù)雜形變并設(shè)計(jì)了一種“仿生抓手”，可在多種外界刺激下，準(zhǔn)確抓取特定的目標(biāo)物（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）。

圖1 （A）含羞草在空氣中響應(yīng)及其響應(yīng)機(jī)理，（B）具有水分子內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的雙層水凝膠，雙層水凝膠在（C）水、（D）油、（E）空氣中的響應(yīng)功能

由于智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料需要通過(guò)與周?chē)芤喊l(fā)生物質(zhì)交換誘導(dǎo)水凝膠的溶脹或收縮，從而實(shí)現(xiàn)形狀的可逆改變，因而水凝膠驅(qū)動(dòng)材料通常在水相中才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。構(gòu)筑可在多種環(huán)境實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的水凝膠驅(qū)動(dòng)器，有助于充分發(fā)揮智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料的潛能。借鑒含羞草受到外界刺激時(shí)葉片閉合、葉柄下垂的機(jī)理（水分子在葉枕上下兩部分的定向移動(dòng)），他們利用熱響應(yīng)行為相反的高分子構(gòu)筑了雙層水凝膠（圖1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變環(huán)境溫度，水分子可以在兩層水凝膠之間定向移動(dòng)，從而解決了目前智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料需要在水相中才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，成功構(gòu)筑了可在水、油和空氣多種環(huán)境中運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)器（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 1320），這極大拓展了水凝膠的應(yīng)用環(huán)境。

自然界中的一些動(dòng)植物（如變色龍、章魚(yú)以及金銀花等），不僅可以自驅(qū)動(dòng)（變形或運(yùn)動(dòng)），還能在各種外界刺激下，導(dǎo)致身體或皮膚對(duì)光的吸收、反射能力或者自身發(fā)光性質(zhì)的變化，從而改變自身的體色，進(jìn)而達(dá)到偽裝自己、交流信息等特定目的。然而目前研究的水凝膠驅(qū)動(dòng)材料及其仿生設(shè)備，很難兼有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)和變色兩種智能功能。這種智能功能的單一性，嚴(yán)重限制了智能水凝膠材料的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)這一研究中的“瓶頸”，他們基于在智能驅(qū)動(dòng)和智能變色方面長(zhǎng)期的研究基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了一種具有3D復(fù)雜驅(qū)動(dòng)-智能變色雙功能協(xié)同的新型智能仿生水凝膠（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568）。通過(guò)制備兩種水凝膠模塊：（1）pH響應(yīng)性的熒光變色水凝膠，即苝酰亞胺功能化的超支化聚乙烯亞胺(PBI-HPEI)水凝膠；（2）溫敏性的智能變形水凝膠，即氧化石墨烯-聚N-異丙基丙烯酰胺（GO-PNIPAM）復(fù)合水凝膠。然后通過(guò)宏觀超分子組裝，將收縮狀態(tài)的智能變形水凝膠和pH響應(yīng)熒光變色水凝膠粘合得到雙層非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，剪成特定的圖案并放入冷水中，可直接形成各種預(yù)設(shè)3D形狀。此水凝膠的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)如同一個(gè)開(kāi)關(guān)，可以控制熒光的產(chǎn)生/消失：在初始狀態(tài)，變色水凝膠被包在了內(nèi)層，而外層的智能變形水凝膠可遮擋絕大部分的激發(fā)光，此時(shí)變色水凝膠不能發(fā)出熒光；只有當(dāng)外界溫度升高，外層水凝膠收縮并帶動(dòng)整個(gè)雙層水凝膠發(fā)生復(fù)雜形變，內(nèi)層的變色水凝膠才能暴露在激發(fā)光源之下并發(fā)出黃色熒光；隨后，通過(guò)改變?nèi)芤旱膒H可進(jìn)一步調(diào)節(jié)變色水凝膠的熒光強(qiáng)度（圖2）。該研究成功實(shí)現(xiàn)了智能驅(qū)動(dòng)和變色功能的協(xié)同。

圖2 （A）具有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)和智能變色協(xié)同功能的水凝膠“仿生章魚(yú)”示意圖；（B）“仿生章魚(yú)”在外界環(huán)境刺激下的形變-色變協(xié)同過(guò)程；（C）“仿生章魚(yú)”的可逆復(fù)原過(guò)程

課題組關(guān)于智能水凝膠復(fù)雜驅(qū)動(dòng)及其與其他智能功能協(xié)同的一系列研究，為制備新型的智能水凝膠提供了新思路，推動(dòng)了智能及仿生系統(tǒng)向更高的智能級(jí)別邁進(jìn)，具有重要的科學(xué)意義和巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學(xué)基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持（2017337）。

來(lái)源：寧波材料所