【科研成果】
变形材料在软机器人，智能设备等方面具有广阔的应用前景。在各种设计策略中，折纸结构被认为是从普通材料的平面设计中获得复杂3D配置和空前性能的强大工具。浙江大学吴子良/郑强和南科大洪教授联手4月在《先进材料》期刊上发表题为: ‘‘Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch ’ ’。该文演示了一些kirigami设计用于复合水凝胶片材的可编程，多稳态3D配置。通过光刻聚合，可以制造穿孔的聚(甲基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)[P(MAAm-co-MAAc)]复合水凝胶片，其中在刚性和被动水凝胶框架中对柔软的活性水凝胶条进行构图。当浸入水中时，由于溶胀不匹配，胶条弯曲到平面外。在kirigami结构中，由于引入切口而破坏了几何连续性，因此变形自由度显着增加。通过控制每个条的屈曲方向，可以在单个复合水凝胶中获得多种构型。也可以通过使用分层设计的折纸结构获得多层配置。通过利用多层凝胶配置来设计电路的多触点开关。此外，通过在kirigami设计中引入手性来实现旋转模式。kirigami结构针对可编程变形的通用设计应适用于其他智能材料，从而有望应用于生物医学设备和柔性电子产品。
图1通过多步光刻聚合制备具有kirigami结构的复合水凝胶片。 红色，蓝色和灰色代表柔软的高膨胀聚丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸[P（AAm-co-AMPS）]凝胶，柔软的非膨胀聚丙烯酰胺（PAAm） 凝胶和坚硬的非溶胀聚（甲基丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸）[P（MAAm-co-MAAc）]凝胶。 b–d）在没有（b）和（c，d）预溶胀步骤的情况下，在水中溶胀后复合水凝胶的平面外变形，以控制每个条的屈曲方向。 比例尺：1厘米。 插图显示用于特定现场预膨胀的轮廓罩。 下一行显示了相应的仿真结果。 色标指示长度的溶胀率。
5月浙江大学潘鹏举/吴子亮/赵骞/谢涛教授等通过N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、丙烯酸十八酯（SA）与交联剂N,N’-二甲基双丙烯酰胺（MBA）反应，制备了结晶性的化学交联P(NIPAM-co-SA)水凝胶（图1）。PNIPAM链的存在使凝胶具有温敏性；SA长烷基链可结晶，在水凝胶中形成结晶性疏水微区，提高凝胶的交联程度和力学性能。相关工作‘’Programmable Reversible Shape Transformation of Hydrogels Based on Transient Structural Anisotropy‘’发表在德国Wiley《Advanced Materials》上。
图1 P（NIPAM-co-SA）水凝胶的合成，性质和可逆形状转化。 a）水凝胶的合成和热敏转变的示意图。 b）WAXS曲线，c）15°C下的水含量，以及d）具有各种FSA的水凝胶的机械性能。 e）图像显示了SA-0.08水凝胶在15°C的水中呈扁平条形和在45°C的水中呈“Ω”形的可逆形状转换。 比例尺：1厘米。 f）在15和45°C的水中SA-0.08水凝胶的可逆角度变化。 比例尺：0.5厘米。 g）具有各种FSA的水凝胶的致动角。
10月浙大吴子良，郑强和南科大洪伟教授等报告了一种基于水凝胶的仿生软机器人，该机器人能够通过光照射为燃料加油和操纵多模式运动。肌肉状的PNIPAM纳米复合水凝胶是通过纳米片的电定向和随后的凝胶化制备的。图案化的各向异性水凝胶是通过多步电定向和光刻聚合制备的，可提供程序化的变形。在光照射下，掺有金纳米粒子的水凝胶会同时发生快速等速变形，并迅速增加与疏水性底物的摩擦力。在时空光刺激下，通过局部形状变化和摩擦操纵的动态协同作用，软机器人实现了包括可控的方向爬行，行走和转弯在内的多种运动步态。该原理和策略应值得设计具有仿生机制的连续性软机器人。相关论文题为: ‘‘Light-steered locomotion of muscle-like hydrogel by self-coordinated shape change and friction modulation’ ’发表在《Nature Communications》。
图1：单畴水凝胶的合成，结构和性质。a，b通过电场诱导的NSs取向制备单畴各向异性水凝胶的示意图（a）和从顶部（b）观察的样品的相应偏振光学显微镜（POM）图像。 A：分析仪，P：偏振片，Z'：530 nm色板的慢轴。从//和⊥方向（c），二维小角度X射线散射图（d）以及相应的凝胶中NSs的面到面距离和取向凹陷观察到的样品的c–e POM图像（ e）。 f照片和结构示意图，显示了温度介导的水凝胶各向异性变形。 g，h将水凝胶长时间从25°C到40°C水浴中转移（g）或以较短的间隔（h）在25°C和40°C水浴之间循环切换后的尺寸变化。 SL和SV分别是室温下参考状态下水凝胶的长度和体积的膨胀/收缩率。 b和c中的比例尺为1mm。 f中的比例尺为5mm。
活的生物体使用具有空间分布各向异性结构的肌肉组织来激活具有令人着迷功能的变形和运动。在人造材料中复制这种结构特征具有重要意义，但仍然是一个巨大的挑战。10月，拜罗伊特大学Josef Breu和浙大吴子良教授团队报道了一种简便的策略来制造具有在分布式电场下定向的纳米片（NSs）的精细有序结构的水凝胶。多个电极以各种布置分布在包含NSs和金纳米颗粒的前体溶液中。复杂的电场会引起NSs的复杂取向，这些取向在随后的光聚合作用中永久地被内接。由于介质的介电常数和NS之间的电斥力的快速转换，所得的各向异性纳米复合PNIPAM水凝胶在加热或光辐照后显示出快速变形。 NS的复杂排列和离散区域的各向异性形状变化导致水凝胶程序化变形为各种构型。此外，运动是通过时空光刺激实现的，该光刺激局部触发具有复杂各向异性结构的复合水凝胶的时变形状变化。这种基于分布式电场产生的有序结构的策略应适用于凝胶，弹性体和装有其他各向异性颗粒或液晶的热固性材料，以设计具有特定功能的仿生/仿生材料。
图1通过一对极性相反的点电极制备具有复杂有序结构的水凝胶。 a）各向异性水凝胶的合成过程示意图。 b）由分布电场引起的NSs取向示意图； c）对应的POM图像。 （b）中的灰色棒代表NS。 为了简化，在示意图中省略了单体，交联剂和光引发剂。样品厚度为2毫米。 比例尺：5毫米。
图5在Tempospatial光照射下各向异性水凝胶的可编程变形和运动。a）制备具有NSs的径向排列的水凝胶环，并且在加热或光照射下其变形。b）快照以显示在以1.05 rad s-1的速度对激光束进行圆形扫描时水凝胶环的平移和旋转运动。示意图显示在快照上方，以显示详细信息。黄色箭头表示圆形扫描方向。c）制备具有复杂有序结构的矩形水凝胶条，并在加热或光照射下变形为3D结构。d）在凝胶条中央区域受到脉冲光照射后，矩形水凝胶的类海鸥滑动运动。蓝色箭头代表水凝胶的运动方向。白色虚线表示凝胶的位置和位移。激光光斑直径：11毫米；功率强度：0.8 W cm-2。比例尺：5毫米。
参考文献：
doi.org/10.1002/adma.202000781
doi.org/10.1002/adma.202001693
doi.org/10.1038/s41467-020-18801-1
doi.org/10.1002/adma.202005567
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