Advanced Materials:基于剪纸结构的水凝胶多稳态可控三维变形

变形材料在医疗器件、柔性电子、软机器人等领域有很好的应用前景,受到了广泛的关注。其中,高分子水凝胶具有良好的生物相容性和刺激响应性,是研究智能变形的理想材料。这些智能变形(例如,褶皱、弯曲、屈曲)通常由材料不同的响应性产生的体积、模量差异所致。在这些不同的变形模式中,由平面梯度结构所致的屈曲变形具有双稳态的特性,引起了研究者的兴趣和关注。含有n个屈曲单元的复合水凝胶理论上有2n种构型。通过控制每个单元的屈曲方向,可以在同一条件下实现复合水凝胶多稳态构型的选择性控制。

在之前的可控变形与驱动器设计中,水凝胶等软材料通常是二维连续的表面,几何上的连续性导致相邻区域的变形相互限制,变形幅度较小。受到剪纸艺术的启发,在材料中引入镂空结构可以解决这一问题。前人的研究中,含有剪纸结构的材料在外力作用下可以形成复杂的三维构型,但是依靠外力驱动变形的方式限制了变形材料在一些领域的应用。

浙江大学郑强、吴子良团队与南方科技大学洪伟团队合作,设计了一种具有剪纸结构的复合水凝胶,在同一条件下获得了多种稳态构型。通过多步光刻技术制备含有剪纸结构的复合水凝胶,其中高溶胀的凝胶被嵌在高模量、不溶胀的凝胶边框中。由于边框的限制,条状凝胶在溶胀时会发生大幅度的面外屈曲变形。通过局部预溶胀控制高溶胀凝胶的屈曲方向,实现了复合水凝胶的可控变形以及多稳态构型的选择性控制。剪纸结构的引入降低了几何上的相互制约,提高了变形自由度。通过剪纸结构的设计,可以使一些条状凝胶在另一些凝胶的基础上发生屈曲变形,形成多层三维构型。利用同一复合水凝胶形成的多种层级构型,研究人员设计了一种多触点的开关,不同的三维构型对应不同的开关状态,从而实现对多个LED灯的组合控制。此外,通过设计具有手性的二维图案,可以使局部凝胶面外屈曲的同时发生旋转变形,进一步丰富了变形模式与构型控制方法。

该工作将水凝胶智能变形与剪纸艺术相结合,实现了多稳态可控三维变形,通过一定的剪纸结构设计,得到了多层三维构型,有利于拓展变形材料在医疗器械、柔性电子等领域的应用。相关结果以“Kirigami-Design-Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch”在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202000781)上。