仿生游动、行走的水凝胶材料:源于光控局部密度驱动概念

as执行器是一种能将某一特定能量转换为动作的器件,已经被应用在许多领域。研究者们已实现了各种动作,如:爬行、弯曲、滚动、跳动、行走、沉浮、水面上的移动等。其中,沉浮运动与水面上的移动都可以归于“游动”。然而,当前报道的各种“游动”都非实时可控。

受鱼类沉浮游动的启发,北京石油化工学院材料科学与工程学院的刘洋副教授课题组及其合作者提出了光控局部密度驱动概念,成功制备了远程实时可控的“游泳”水凝胶。此外,通过设计和组合材料形状、配比、以及激光照射部位,实现了多种动作,如:滚动、翻转、“双足行走”等。相关结果发表在Advanced Science上

丙烯酸长链烷基酯的密度小于水,而甲基丙烯酸密度大于水,将两种单体溶解在石墨烯分散液中,共聚交联后得到密度略大于水的凝胶复合材料。当用近红外激光照射凝胶局部时,石墨烯会吸收激光产生热量,升高温度,使长链烷基侧链形成的疏水晶区熔融,材料局部密度下降,当密度小于水时,材料上浮。移去激光,温度下降,长链烷基重新结晶,密度升高,材料下沉。通过控制激光照射部位、时间,可以实时控制材料游动的深度、姿势和方向。

用激光分别照射凝胶棒和凝胶薄片,可使材料在水底滚动和翻转。此外,利用凝胶材料的粘合性,把不同密度和不同密度变化能力的凝胶材料组装到一起,得到了具有光控“双足行走”能力的“迷你机器人”。仿生可游动水凝胶材料有望用作执行器、驱动器元件;并且光控局部密度驱动概念为液体环境执行器的设计和制备开辟了一条新思路。

相关工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、教育部留学归国人员启动基金以及北京石油化工学院特种弹性体复合材料北京市重点实验室的资助。

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