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来源：【高分子材料科学】微信公众号
背景刺激响应型水凝胶驱动器在各个领域都有广阔的应用前景 。 然而 ， 典型的水凝胶驱动是由于渗透压变化引起的溶胀和消肿过程 ， 该过程缓慢 ， 需要花费数分钟甚至数小时 。 并且通常需要水环境的存在 。 实现水凝胶驱动器的高速 ， 快速响应和空中运动仍然是一个挑战 。
德国马克斯普朗克研究所的Metin Sitti团队报告了一种轻巧高性能的空气中水凝胶驱动器 。
1.它运动速度超快（1.6 m/s） ， 速响应超快（800 ms） ， 跳跃度高（15 cm） 。
2.它是由二元氧化铁纳米粒子（IONP ， 即Fe3O 4）和聚丙烯酸钠（PAANa）水凝胶组成的复合材料 。
3.它的性能是通过利用IONP的光热效应引起的水凝胶弹性和气泡之间的协同相互作用来实现的 。
4.它的跳跃和滚动行为都表现出可控制的运动速度和方向 ， 这使得水凝胶驱动器可应用于各种实际应用 。 作者已经证明了其在录音和货运机器人领域中的应用 。
相关结果以In-air fast response and high speed jumping and rolling of a light-driven hydrogel actuator为题发表在《Nature Communications 》.
水凝胶驱动器的制造和表征水凝胶驱动器通过悬浮聚合法合成 ， 具有核壳结构 ， 以60 μm厚的聚丁二烯橡胶（PBR）为壳（其功能是防止水从凝胶驱动器流向周围环境）；核的半径为1 mm ， 含两种成分（IONPs和PAANa水凝胶）（图 1a–d） 。 水凝胶的表面粗糙 ， 其粗糙度约为4.9μm（图1e） 。 能量色散X射线（EDX）分析确认了其元素组成 ， 碳元素和铁元素均匀地分布在整个结构中（图 1f） 。 傅立叶变换红外光谱（FTIR）光谱证明水凝胶中存在Fe 3 O 4、PAANa和IONP组分（图 1g） 。 由于油胺表面配体使IONPs带正电 ， 而PAANa水凝胶带负电 ， 这两个组成部分之间存在静电相互作用（图 1c） 。
图1：水凝胶驱动器及其在空中的光感跳跃和滚动运动 。 a水凝胶驱动器的制造过程 。 b水凝胶驱动器的示意图 。 c水凝胶驱动器的内部结构示意图 。 d水凝胶驱动器的CCD图像 。 eSEM图像 。 f EDX分析 。 g PAANa水凝胶 ， IONPs和由PAANa水凝胶和IONPs组成的水凝胶促动器的FTIR光谱 。 叠加的CCD图像和起飞速度显示h – j水凝胶驱动器的跳跃（在2.34 W辐射下）和k – m滚动（在0.67 W辐射下）行为 。 为了跳跃和滚动 ， 分别在水凝胶驱动器的底部或侧面（（h）和（k）中的红色区域）施加光 。
水凝胶驱动器的驱动光照时 ， 水凝胶驱动器可在空气中运动(跳跃和滚动) ， 运动方式取决于光在水凝胶表明上的照射位置 。 当照射底部时 ， 水凝胶驱动器会表现出快速响应的跳跃运动（800 ms）（图1h） ， 速度为1.6 m/s。 相比于其他水凝胶驱动器 ， 该水凝胶的跳跃性能最佳 ， 具有更高的运动速度 ， 更快的响应时间 ， 出色的跳跃性能（高达15 cm） 。 当照射水凝胶驱动器的侧面时 ， 水凝胶快速滚动（1.3 s）（图1k） ， 滚动速度为10 cm/s ， 运动距离达20 cm 。
水凝胶驱动器的驱动机制作者通过使用高速相机记录起飞过程 ， 热成像和计算机仿真提出机理（图2） 。 IONPs具有光热效应 ， 在光照时 ， 水凝胶驱动器的温度迅速升高 ， 导致水凝胶内部照射区域的水汽化 ， 并在3.2 ms形成气泡 ， 气泡迅速膨胀（图 2b-d） 。 快速膨胀的局部突起撞击基板 ， 并且反向相互作用为跳跃行为提供了驱动力 。 温度降低8 s后 ， 水凝胶恢复到其原始状态 ， 水凝胶的运动行为也随之停止 。 而PBR表面涂层防止水蒸气从水凝胶驱动器释放到周围环境中 ， 这除了能使之运动时间加长 ， 还表明在运行过程中 水凝胶不会破裂(图2m) ， 具有可重复使用性（重复驱动超过100倍） 。
图2：水凝胶驱动器的运动机理 。 a驱动原理示意图 。 b – e高速相机图像 ， 显示了水凝胶驱动器底部在光照射下的起飞过程 。 水凝胶驱动器在f光照射之前和g之后的红外热图像 。 h跳跃过程中的温度变化 。 i-l CCD图像固定在针头的水凝胶驱动器的照射区域的形状变形和恢复 。 m跳跃前后水凝胶驱动器的重量 。 n – o使用数值模拟对水凝胶驱动器的跳跃行为进行力分析 。
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