《AM》新花样！：高性能有机水凝胶致动器实现人造肌肉

水凝胶致动器溶剂扩散引起的体积变化机制，大多存在致动强度弱和响应速度低的问题。近日，来自北京航空航天大学的刘明杰教授团队进行了高性能有机水凝胶人造肌肉，在微域限制下具有分隔各向异性驱动的相关研究。相关研究成果以“High-performance organohydrogel artificial muscle with compartmentalized anisotropic actuation under micro-domain confinement”为题于2022年12月21日发表在《Adv. Mater.》上。

本文研发了一种受骨骼肌启发的有机水凝胶致动器，溶剂限制在疏水的微域中。有机水凝胶致动器由分区的方向性网络变形而非体积变化来驱动，避免溶剂扩散带来限制。有机水凝胶致动器致动频率为0.11赫兹，是传统溶剂扩散驱动水凝胶致动器的110倍，可以举起超过自身重量85倍的物体。从而实现高响应速度、高致动强度和大材料尺寸的结合，实现制造与骨骼肌性能相当水凝胶致动器的方法。

图1 有机水凝胶执行器的设计理念、机制、制造和结构

随着水凝胶致动器的发展，致动性能提高已开展大量研究。如何控制水凝胶致动器中溶剂扩散，并进一步调整其致动行为，已成为水凝胶致动器发展进程的重大挑战。人类骨骼肌作为生物驱动组织的代表，为水凝胶致动器的设计提供示例。肌肉由层次分明的纤维结构组成，驱动力是基于大量分隔的微响应单元。与整体溶剂扩散驱动的水凝胶相比，肌肉的区隔化致动模式可以显著提高速度和效率。模仿骨骼肌的结构和驱动机制，通过异质网络的协调来调整体积相变中溶剂扩散。由聚（甲基丙烯酸月桂酯）（PLMA）组成的亲油性网络通过两亲性溶剂溶胀法渗透到聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶中。得到的OHA包含一个定向亲水的网络作为反应单元，弹性的亲油性网络作为封闭网络。OHA展示一种模仿肌肉异型网络控制分室的机制，实现了高速、高强度驱动和大尺寸材料结合。

图2 OHA的驱动速度和应变

OHA制造流程：拉伸PNIPAM水凝胶，固定干燥之后，将样品浸入PLMA/乙醇预聚合溶液12小时。洗净浸入水中交换溶剂，SEM和CLSM图像显示，亲油性网络倾向于填补由拉伸PNIPAM网络形成的条状空隙，保持其方向程度。为比较机制差异，用类似的方法制造各向异性的双网络水凝胶致动器（HA）。在OHA和HA中PNIPAM网络取向都保持不变，不同的是OHA是由亲油的PLMA固定，而HA是由亲水的聚丙烯酰胺（PAM）固定。对OHA响应速度研究结果显示：HA具有更低的速度，OHA和HA表现出类似应变。HA显示了溶剂扩散驱动水凝胶明显特征，即伸长速度是收缩速度的几倍。OHA的数值要低得多，表现出稳定的高速下的周期性驱动行为。接着对其机制研究发现HA恢复依赖于膨胀，而OHA的恢复不依赖于膨胀。只有各向异性的样品在温度变化时才能表现出变形，即OHA的作用力依赖于定向网络变形。

图3 OHA的驱动强度

OHA机制导致驱动强度的增加。研究人员首先研究OHA在室温下机械强度。制作了不同网络比例拉伸棒，然后对样品进行拉伸试验。应力-应变曲线显示，OHA的断裂应力与亲油网络含量成正比，当与PNIPAM相互渗透时，弹性亲油网络可以在牺牲应变的同时增强机械强度。OHA和拉伸PNIPAM水凝胶的致动强度随着拉伸比的增加而增加，而HA的致动强度在所有拉伸比下都低于10千帕，拉伸的PNIPAM表现较高的致动强度，反应性网络的定向网络变形可以产生比脱空高得多的致动强度。致动强度来源于各向异性网络，而亲油性网络比率影响保持取向的能力。亲油性网络比例低的OHA难以维持PNIPAM的取向，导致驱动强度下降。亲油性网络也可以使响应的网络变形定向，集中致动强度。过量的亲油性网络也阻碍了反应性网络的收缩。

图4 软约束环境下OHA相变过程的机制分析

分析亲油网络在相变中的作用。研究人员用N-(1-萘基)-3-氨基丙烷磺酸钠(ANSA)对亲水网络进行染色，用1-芘甲基丙烯酸酯(PyMA)对亲油网络进行染色。CLSM图像显示微观尺度上的异质网络结构，表明亲油性网络在15℃时经历了从条状到60℃时的球状形状变化。宏观OHA和条状物到球状物之间的应变差异，亲油性相的构象变化可能源于聚集过程中PNIPAM的分裂。PNIPAM链在相变过程中有两种模式：（1）相邻网络聚集，由链间H键形成。(2) 单链折叠，由链内H键形成。模式（1）比（2）更稳定，并且在差示扫描量热法（DSC）中对应较小的内热峰面积。PNIPAM网络在相分离过程中倾向于聚集，而OHA中PNIPAM链的接触会受到亲油网络的阻碍。因此，OHA中链内收缩比例会增加，导致ΔH的增加。同时网络之间的相互作用随着亲油性网络的增加而增强，证明PLMA网络足够接近，可以减少PNIPAM网络的接触。更多亲油性网络插入到PNIPAM中，可以增强封闭效果，促进PNIPAM的构象变化。弹性亲油网络在被PNIPAM压缩时可以储存能量，而弹性能量在粘性网络中被耗散了。由于上述机制，OHA可以表现出高速驱动，具有良好的稳定性和各种材料尺寸应用。

总之，本文通过结合异质网络制造了一个高速、高驱动强度、大尺寸的水凝胶致动器。亲油性网络软约束作用可以归纳为三个部分：（一）通过形成疏水致密层将溶剂限制在微域内，将水的运动从长距离转化为短距离。(二)对PNIPAM网络的变形进行定向，使驱动力定向集中。(三)储存弹性能量以协助伸长过程。OHA的网络变形机制可以为驱动性能的提高提供更多的空间，拓宽水凝胶致动器的应用范围。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202202193

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