安理工张晓勇团队CEJ：通过单一近红外光选择性诱导软体制动器原位动态运动与恢复

【导读】

软体机器人设计中的重要组成部分——水凝胶致动器，受到自然界的启发，已成为智能研究中最关键的组件之一。然而，传统的致动方法，如近红外（NIR）光刺激致动器完成运动，当光源关闭时，致动器会自动恢复到原始状态，无法实现单一近红外光下的连续原位动态保持与恢复运动。因此，通过单一外界调剂实现制动器的行为驱动与恢复是软体机器人实现广泛应用必须妥善解决的科学问题。

【成果掠影】

近日，安徽理工大学材料学院张晓勇团队设计并合成了一种通过单一NIR光选择性诱导软体驱动器原位动态运动与恢复的智能水凝胶材料。在该研究中，通过逐层叠加技术成果制备了一种新颖的网状聚己内酯（Net-PCL）-聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶致动器（Net-PCL-Gel）。由于Net-PCL的形状记忆特性，Net-PCL-Gel在NIR照射下以PNIPAM的驱动力产生原位动态弯曲和恢复行为。与传统的水凝胶系统不同，Net-PCL-Gel在信息读取和隐藏方面还显示出优异的解码性能，同时保持卓越的准确性和稳定性（图1）。由于其简单性，这种策略在软抓手和多功能致动器的仿生操作中显示出巨大的潜力。

该工作以“Selective In Situ Dynamic Motion Stay and Recover under Single NIR light in Soft Actuator by Triggered Shape-Memory and Phase Transition of Hydrogel”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（IF:16.744）上（Chem. Eng. J., 2023, 468, 143734）。该研究工作得到了国家自然科学基金和安徽理工大学人才引进启动基金的支持。

【图文概览】

图1 (a) Net-PCL-Gel的制备过程，它由两层组成：一个是SMP Net-PCL层，另一个是热响应PNIPAM层；(b) 受温度或 NIR 光刺激的Net-PCL-Gel致动器的致动行为示意图；(c) Net-PCL-Gel致动器的功能，它模仿章鱼的爪子就地捕捉和释放物体、作为解密材料读取和隐藏信息。

该Net-PCL-Ge致动器的独特设计使其在应对光刺激时能够产生弯曲和恢复等动态行为（图2和图3），这为实现更为精确和复杂的运动提供了新的可能性。该项研究不仅在软体机器人领域具有重要的理论意义，同时也具备广泛的应用前景。未来，这种新型软体致动器有望在医疗、自动化生产和机器人协作等领域发挥重要作用。

图2 (a) Net-PCL-Gel 致动器的热致动行为示意图；(b) Net-PCL-Gel致动器在不同温度下的变化弯曲角度；(c)具有不同厚度Net-PCL层的Net-PCL-Gel致动器在不同温度下的变化响应速度因子；(d) Net-PCL-Gel的驱动形变过程（向上弯曲、向下弯曲和抓取物体）；(e) Net-PCL-Gel分别在25^oC和60^oC下的韧性和弯曲断裂；(f) Net-PCL-Gel的红外热成像图。

图3 (a) Net-PCL-Gel致动器的光热致动行为示意图；(b)受NIR光刺激的8个花瓣的弯曲角度图；(c) Net-PCL-Gel通过 NIR 光完成花瓣弯曲；(d) 不同Mn的Net-PCL-Gel的实时温度；(e) Net-PCL-Gel的响应速度因子；(f) Net-PCL-Gel致动器的致动机制示意图；(g)超快Net-PCL-Gel 执行器的应用演示。

此外，该致动器还具备出色的解密性能，可用于信息隐藏和安全传输等应用，其中隐藏信息层由PNIPAM层组成，信息读取层使用Net-PCL进行编写，从而可以组装成信息解密材料。当受到NIR光的刺激时，Net-PCL层会增加照射区域的温度。然后，信息层受高温影响，由亲水性变为疏水性，外观由透明变为不透明，显示信息。当关闭近红外光时，照射区域的温度降低，信息层由疏水性变回亲水性，使信息层恢复到原来的透明状态，实现隐藏信息（图4）。

图4 Net-PCL-Gel致动器用作信息隐藏材料以读取和隐藏信息的示意图。

【成果启示】

该研究的结果为软体机器人领域的进一步发展和应用提供了新的思路和方法。这一创新性的研究成果将为设计更灵活、智能的机器人系统和人工智能技术的发展开辟新的可能性。未来，这项技术有望在医疗、制造业和其他领域实现更广泛的应用，为人类社会带来更多福祉和发展机遇。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723024658

本文由作者供稿