的潛在應(yīng)用前景。

自然界中存在大量的軟驅(qū)動(dòng)器，如八爪魚、水母、捕蠅草、花等生物，都通過軟驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、捕食、繁衍等活動(dòng)。受自然界啟發(fā)，人造軟驅(qū)動(dòng)材料及器件，如人工肌肉、軟驅(qū)動(dòng)器、軟體機(jī)器人等，近年來得到了廣泛的研究。其中，高分子水凝膠因其含大量水和出色的生物相容性，作為仿生驅(qū)動(dòng)材料得到了特別的青睞。

傳統(tǒng)的水凝膠由于存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均勻、缺乏能量耗散機(jī)制等問題，導(dǎo)致機(jī)械性能差，從而制約了其實(shí)際應(yīng)用。2000年以來，人們研究開發(fā)了大量高強(qiáng)度韌性水凝膠，包括雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、滑環(huán)水凝膠、納米復(fù)合水凝膠、納米顆粒增強(qiáng)水凝膠、膠束交聯(lián)水凝膠等。合成關(guān)鍵在于利用斷裂“犧牲鍵”來有效耗散能量，進(jìn)而增強(qiáng)水凝膠機(jī)械性能。氫鍵、超分子識(shí)別、絡(luò)合作用、靜電作用、疏水締合等多種非共價(jià)作用均都已被用于制備高強(qiáng)度水凝膠。這種可逆非共價(jià)鍵不僅賦予水凝膠可恢復(fù)性和自修復(fù)特性，更有利于水凝膠的應(yīng)用。

響應(yīng)性水凝膠在不同環(huán)境條件刺激下，如溫度、pH、光照、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、氧化還原、生物分子等，會(huì)發(fā)生體積或形狀變化。對(duì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活的化學(xué)設(shè)計(jì)或修飾，可制備多種多重響應(yīng)型水凝膠。如何將響應(yīng)性與增強(qiáng)增韌機(jī)制結(jié)合來制備高強(qiáng)韌響應(yīng)性水凝膠，使其具備承受反復(fù)載荷作用，是水凝膠走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)將不同性質(zhì)的水凝膠集成到單一器件上，或在水凝膠中構(gòu)筑精確可控的性質(zhì)分布，在外場(chǎng)的作用下，器件可發(fā)生程序化的形變或者運(yùn)動(dòng)。在高強(qiáng)韌響應(yīng)型水凝膠的重要應(yīng)用領(lǐng)域中，基于水凝膠的柔性智能器件及其驅(qū)動(dòng)行為研究也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

本專輯總結(jié)了近年來在高強(qiáng)韌水凝膠方面的代表性進(jìn)展，增強(qiáng)增韌機(jī)制以及它們?cè)谥悄芷骷I(lǐng)域的應(yīng)用研究。

陳強(qiáng)等系統(tǒng)地論述了基于可逆非共價(jià)交聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠研究進(jìn)展。其中，非共價(jià)作用不僅能賦予水凝膠出色的機(jī)械性能，還在水凝膠刺激響應(yīng)形變方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。吳子良等利用聚丙烯酸與聚（氮-異丙基丙烯酰胺）之間的氫鍵，制備了高強(qiáng)度韌性的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。通過調(diào)節(jié)氫鍵作用，實(shí)現(xiàn)了形狀記憶。為了描述氫鍵的增強(qiáng)機(jī)制，Spinks等提出一個(gè)新的物理模型來預(yù)測(cè)氫鍵交聯(lián)水凝膠的臨界斷裂能，并描述了裂紋擴(kuò)展過程中氫鍵逐步次第瓦解的過程。

付俊系統(tǒng)地總結(jié)了高分子膠體交聯(lián)的高強(qiáng)韌水凝膠的工作進(jìn)展。高分子膠體粒子包括納米顆粒、微米顆粒、微凝膠以及膠束等。膠體粒子經(jīng)化學(xué)官能化后，作為巨型交聯(lián)劑，將親水高分子交聯(lián)成為水凝膠。與剛性的無機(jī)納米顆粒不同，高分子膠體粒子具有變形能力，在應(yīng)變過程中可通過變形、位移、甚至部分結(jié)構(gòu)破壞而耗散能量。

綜合運(yùn)用兩種或多種物理交聯(lián)作為增韌機(jī)制，利用不同水平的物理交聯(lián)次第瓦解，可賦予水凝膠高強(qiáng)度韌性、恢復(fù)性、自修復(fù)以及形狀記憶等性能。Zheng等人以膠束輔助的疏水締合和氫鍵作用作為物理交聯(lián)機(jī)制，制備了雙重物理交聯(lián)的單網(wǎng)絡(luò)水凝膠，獲得了優(yōu)異的韌性和快速形變恢復(fù)性能。事實(shí)上，將“強(qiáng)”、“弱”兩種物理交聯(lián)機(jī)制結(jié)合，以“強(qiáng)”交聯(lián)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以“弱”交聯(lián)作為犧牲鍵，可制備高強(qiáng)度、可恢復(fù)且自修復(fù)型水凝膠。

高強(qiáng)韌響應(yīng)型水凝膠是制備柔性智能器件的基礎(chǔ)。響應(yīng)性、強(qiáng)度、韌性、抗疲勞等性質(zhì)對(duì)于器件承受內(nèi)外應(yīng)力、反復(fù)作動(dòng)而保持其結(jié)構(gòu)和性能至關(guān)重要。儲(chǔ)良銀等系統(tǒng)地闡述了納米復(fù)合智能水凝膠方面的進(jìn)展，不僅討論了基于粘土納米片和高分子微球等交聯(lián)的響應(yīng)性水凝膠等增強(qiáng)機(jī)制，而且探討了提高水凝膠響應(yīng)速度的新策略，為它們?cè)谌嵝詸C(jī)器人、人工肌肉以及柔性驅(qū)動(dòng)器等方面的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

制備水凝膠智能器件，方法很關(guān)鍵。汪輝亮等系統(tǒng)地評(píng)述了一些典型的形變可控的水凝膠器件及其制備方法，包括雙層水凝膠、梯度水凝膠、面內(nèi)不均勻結(jié)構(gòu)水凝膠等。此綜述介紹了基于外場(chǎng)（如強(qiáng)磁場(chǎng)）、平板印刷技術(shù)、噴墨打印或宏觀組裝等策略精確調(diào)控水凝膠中交聯(lián)度、響應(yīng)性、模量等的空間分布，制備仿生爪、人工肌肉或行走器。如何利用3D打印可更精確地制備響應(yīng)性水凝膠器件，實(shí)現(xiàn)仿生3D或4D驅(qū)動(dòng)，是本領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。

在高強(qiáng)韌響應(yīng)性水凝膠領(lǐng)域，水凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備、增強(qiáng)增韌新機(jī)制等仍有待研究。如何提升水凝膠響應(yīng)速度和能量轉(zhuǎn)換效率，仍是有待破解的難題。水凝膠智能器件的研究和發(fā)展仍有賴于開發(fā)新的簡(jiǎn)單的、高效的制備技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件結(jié)構(gòu)的精確制造，并將多種響應(yīng)性水凝膠材料集成到器件中，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)。

感謝本專輯各位作者和編輯部工作人員的卓越貢獻(xiàn)。希望專輯文章能對(duì)本領(lǐng)域的專家學(xué)者有所裨益。

付俊

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

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https://onlinelibrary.wiley.com/toc/10990488/2018/56/19

來源：高分子科學(xué)前沿