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水凝胶致动器，登上《Science》：更快、更强！

2022-04-21 10:25:22 0 564

一、研究背景

水凝胶由于柔软性、透明性、生物相容性和对刺激的响应性等特性，是软致动器的有吸引力的候选材料，并应用于软机器人、可调谐光学、流体学和生物医学等各个领域。然而，水凝胶软致动器通常承受较小的驱动应力和低速。弱驱动应力来自水凝胶的低弹性模量和强度，而低驱动速度则归因于渗透膨胀，渗透膨胀伴随着水的扩散。以往对水凝胶促动器的研究并没有将高渗压转化为相应的强促动应力。在自然界中，植物细胞利用其高渗压来获得强大的膨压。同样，使用膨压系统有望通过利用高渗压来改善水凝胶致动器的驱动应力。

由于其基于扩散的驱动机制，大多数水凝胶致动器存在低速问题。许多研究试图通过增加扩散速率或使用不同的驱动机制来提高驱动速度，包括刺激响应水凝胶的分子工程、将活性材料并入水凝胶基质、水凝胶网络的弹性势能的使用及水凝胶覆盖结构的气动或液压驱动。尽管速度有了实质性的提高，但由于水凝胶本质上是软的，驱动力被限制在<1N。一种加速膨胀的机制与一种可以使用膨压系统产生协同作用，有望实现快速和强驱动。

二、研究成果

鉴于此，近日，韩国首尔大学Ho-Young Kim教授和Jeong-Yun Sun教授等人利用膨胀压力和电渗技术实现了一个强大而快速的水凝胶驱动器。与传统的水凝胶致动器相比，它可以在更短的时间内实现更高的驱动力。包裹在膜中的水凝胶将其固有的高渗压转化为巨大的驱动应力。相关研究工作以“Hydrogel-based strong and fast actuators by electroosmotic turgor pressure”为题，发表在国际顶级期刊《Science》上。

三、图文速递

图1. 水凝胶充气致动器的设计和原理

图2. 渗透驱动水凝胶膨胀致动器的机械性能

图3. 电解质溶液中水凝胶膨胀致动器的电渗驱动

图4. 快速建造水下结构

四、结论与展望

研究者提出了一种基于水凝胶的强力且快速的膨胀致动器，该致动器借助膜将高渗压转化为相应的强驱动应力。通过将水主动输送到水凝胶中，电渗驱动使膨胀致动器大大加快和增强。该致动器用于在几分钟内打碎一块坚硬的砖块，并建造复杂的水下结构。该研究的驱动动力学模型有望作为未来软机器人控制的指南。同时，该研究的策略也可以应用于其他基于弹性体或水凝胶的致动器，因为它们提供了增强的机械动力，同时保留了材料的固有优势，从而扩大了应用范围。

五、文献

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm7862

文献原文：

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