《Science》：又强又快！基于水凝胶的驱动器-木庄网络博客

本文摘自材料科学与工程，侵删。

水凝胶，具有柔软性、透明度和对刺激的响应性等特性，因而是一种很有前途的软执行器材料。然而，由于低模量和渗透驱动的缓慢水扩散，弱驱动和慢驱动仍然具有挑战性。

在此，来自韩国国立首尔大学的HO-YOUNGKIM & JEONG-YUNSUN 等研究者，使用膨压和电渗透技术来实现一种强大而快速的水凝胶基驱动器。相关论文以题为“Hydrogel-based strong and fast actuators by electroosmotic turgor pressure”发表在Science上。

论文链接：

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

由于其柔软性、透明度、生物相容性和对刺激的响应性，水凝胶是软致动器的有吸引力的候选材料，并已应用于各种领域，如软机器人、可调谐光学、流体和生物医学。大多数水凝胶致动器的致动机制是溶胀，受溶剂、温度、pH值、电场和光等外部刺激的渗透压驱动。但水凝胶软致动器，一般存在着小的致动应力(即单位面积致动力)和低速。水凝胶的低弹性模量和强度，产生了较弱的驱动应力，而水凝胶的低驱动速度则是随着水的扩散而发生渗透膨胀的结果。

虽然水凝胶作动器的驱动应力通常较弱(1~100千帕)，但作为驱动源的水凝胶的渗透压可达~50兆帕(MPa)。以往对水凝胶作动器的研究，并没有将高渗透压转化为相应的强作动应力。然而，在自然界中，植物细胞利用它们的高渗透压来实现强大的膨压。膨压是植物细胞内的静水压力，它是由刚性的半渗透细胞壁所限制的渗透驱动的膨胀作用所引起的。膨胀压力与高渗透压平衡，使柔软的植物细胞能够支撑身体，深入土壤，甚至打破坚硬的岩石。同样，使用膨压的系统有望利用高渗透压改善水凝胶驱动器的驱动应力。

大多数水凝胶驱动器，由于其扩散驱动机制而存在低速运行的问题。许多研究试图通过增加扩散速率或使用不同的驱动机制，来提高这些驱动速度；这些包括刺激响应水凝胶的分子工程，活性材料加入水凝胶基质，水凝胶网络弹性势能的利用，水凝胶覆盖结构的气动或液压驱动。尽管在速度上有了实质性的改进，驱动力仍然被限制在<1 N，因为水凝胶本质上是软的。一种加速膨胀的机制有望与利用膨胀压力的系统产生协同作用，因此有望实现快速和强大的驱动。采用快速水输送机制可加速膨胀。电渗透在电场作用下诱导水通过带电荷的多孔材料，从而加速水凝胶的膨胀，因为迁移的离子将附近的水拖入带电荷的聚合物网络。

图1 一种水凝胶式浮力致动器的设计与原理。

在此，研究者报告了一种基于水凝胶的驱动器，它采用了膨胀压力和电渗透的设计，可以在较短的时间内实现比传统水凝胶驱动器更高的驱动力。水凝胶包裹在薄膜中，将其固有的高渗透压转化为大的驱动应力。水凝胶作动器(裸露的)的作动应力可，以用两个刚性板在平衡状态下的约束膨胀的阻塞应力(σblock)来表征(图1,a和B)；用理想的弹性体凝胶模型可以预测堵塞应力。研究表明，一种由选择性渗透膜限制的凝胶制成的膨胀致动器，能够保持驱动凝胶膨胀的高渗透压；因此，研究者的致动器使用1.16立方厘米的水凝胶，在96分钟内施加了巨大的压力[0.73兆帕(MPa)]。随着电渗透引起的水运移速度的加快，凝胶迅速膨胀，提高了驱动速度(9 min内达到0.79 MPa)。该策略使软水凝胶能够在几分钟内打碎一块砖，可用于建造水下结构。