【《Science》强大而快速的水凝胶执行器！】
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软体动物的运动长期以来一直启发科学家设计软致动器(1 ， Chem. Rev. 122 1349 (2022).) ， 该致动器可以将各种形式的能量转换为机械功 。 水凝胶 (2 ， Adv. Sci. (Weinh.) 6 1801584 (2019).)具有缩小合成致动器和生物有机体之间性能差距的潜力 ， 因为它们与软组织相似、具有出色的生物相容性和大变形 。 向软机器人和人造肌肉的扩展挑战了它们的地位 ， 需要具有大驱动力和对外部刺激快速响应的水凝胶 。 然而 ， 现有的水凝胶致动器通常表现出低驱动力（≤2 N）和缓慢的响应 。 在该期第 301 页 ， Na 等人(3 ， Science 376 301 (2022).) 报告绕过最先进的水凝胶致动器 ， 通过结合膨胀设计和电渗来实现超高驱动力 (730 N) 和高速 。
通常 ， 水凝胶致动器通过网络中渗透压的变化来工作 。 由此产生的压力（高达几兆帕）不能完全用作驱动力 ， 因为它在膨胀平衡时与网络的弹性恢复应力相平衡 。 一种有吸引力的方法是使用耗散机制——例如双交联(4 ， Adv. Funct. Mater. 28 1803366 (2018).) 和双网络 (5 ， ACS Appl. Mater. Interfaces 13 12689 (2021).)——来提高水凝胶的机械强度 ， 从而提高驱动力 。 这种机制对驱动速度没有贡献 ， 这在很大程度上取决于水凝胶的孔隙率 。 与渗透机制相比 ， 非渗透机制可用于制造具有更大驱动力的水凝胶驱动器 。 由加压水驱动的水凝胶(6 ， Nat. Commun. 8 14230 (2017).) 提供比现有渗透驱动对应物 (≤0.01 N) 高得多的驱动力 (≈2 N) 。 同时 ， 受青蛙超强跳跃能力的启发 ， 一种超分子水凝胶 (7 ， Sci. Adv. 6 eabd2520 (2020).) 通过储存和释放弹性势能表现出 0.3 N 的驱动力 。 然而 ， 需要强大的驱动力来实现它们在软机器人中的实际应用 ， 在这些应用中 ， 它们通常需要执行费力的机械任务 。 渗透压驱动的水凝胶驱动器遇到的另一个瓶颈是由于扩散限制的水传输 ， 它们的驱动速度很慢 。 增加驱动速率的一种通用方法是通过冻融(8 ， Adv. Mater. 31 1904956 (2019).)、三维 (3D) 打印 (9 ， Nat. Commun. 9 2395 (2018).) 和相变 (10 ， Chem. Mater. 33 7818 (2021).) 引入孔隙 。 不依赖水扩散的新兴驱动机制 ， 例如静电电容变化 (11 ， Nat. Mater. 14 1002 (2015).) 和光致气泡形成 (12 ， Nat. Commun. 11 3988 (2020).) ， 不仅可以实现超快响应 (≤1 s) ， 还可以在露天环境中进行驱动 。 尽管它们的驱动速度对于大多数实际应用来说是可以接受的 ， 但仍需要更多的改进来实现高驱动力同时保持快速响应 。
大功率执行器的TURGOR 设计 。 水凝胶被设计成通过用坚硬但可渗透的膜包裹来保持高渗透压 ， 以创造一个受限的膨胀环境 。 为了提高驱动速度 ， 施加了一个电场 ， 将水合反离子（左）驱动到水凝胶（右）中 。这加速了水凝胶的膨胀 。 在自然界中 ， 由于细胞壁对运输水的限制作用 ， 植物细胞保持高膨胀压力 。 受这种现象的启发 ， Na 等人 。 通过用可渗透且坚硬的膜包裹水凝胶来创造一个受限的膨胀环境 ， 从而产生超高渗透压（πoswrapped）（见图） 。 理论计算表明聚合物弹性应力 (σel) 的贡献可以忽略不计 ， 从而阻止了驱动 。 这两个因素都促成了超强的驱动力（730 N） ， 比现有的水凝胶驱动器高三个数量级 。turgor 致动器可以承受 917 N 的高压缩力而不会断裂 。 这使它能够打破坚硬的砖块 ， 这对于目前的水凝胶来说是不可能的 。 为了进一步提高驱动速度 ， 施加电场来驱动水合反离子 ， 加速水迁移以膨胀网络 。 这种电动水传输的驱动速度是相应渗透率的19 倍 ， 并增加了驱动力 。 打开和关闭磁场允许在 20 次以上的循环中进行可逆驱动 ， 而不会出现任何劣化 。 Na等人为最大化水凝胶的驱动力开辟了一条令人兴奋的途径 。 理论分析为合理设计和更好地理解材料性能提供了指导 。 一种结合了超高驱动力、高压缩性和快速响应的膨压水凝胶将有助于加速下一代能够承受高水下压力的水上软机器人 。 尽管取得了实质性进展 ， 但这些材料仍处于早期阶段 。 未来的努力应该致力于实现它们在非水条件下的出色保水能力 。 表面改性和创新材料设计的结合可能是下一代集成智能水凝胶在多种环境中表现出快速、可逆和大功率驱动的一个有前途的方向 。
相关论文以题为Strong and fast hydrogel actuators发表在《Science》期刊上 。 通讯作者是南昆士兰大学宋平安教授 。 第一作者是蒋臻博士 。 参考文献：DOI: 10.1126/science.abo4603
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