大家好，在这个国庆佳节，我们一同感受科技的魅力。今天来了解一种特殊的肌肉样水凝胶，它通过自协调形状变化和摩擦调节，能在光的引导下实现多样运动。这一成果为软机器人发展带来新契机——《Light-steered locomotion of muscle-like hydrogel by self-coordinated shape change and friction modulation》发表于《Nature Communications》。值此国庆，让我们为祖国的科技进步喝彩，祝愿祖国更加繁荣昌盛，科技之花绚烂绽放。

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一、研究概述

本研究介绍了一种基于水凝胶的仿生软体机器人，它能够通过光照射实现多模式运动，模仿生物利用肌肉穿越复杂环境的能力。研究重点在于制备具有各向异性结构的肌肉样水凝胶，并探索如何通过光照射和摩擦调节实现其多模态运动。

二、材料与方法

（一）水凝胶制备

1.单畴水凝胶

材料选择与处理：使用N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）、N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）（MBAA）、锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸酯（LAP）以及氟锂蒙脱石（NSs）。将NSs制成水悬浮液，通过振荡使其形成均匀液晶相。

NSs取向：利用高频交流电场诱导NSs取向，优化后的实验条件为NSs含量0.3wt%、电极距离20mm、电压幅值50V、频率10kHz、电场作用时间60min，此时NSs沿电场方向单向排列，悬浮液呈现强且均匀的双折射。

聚合形成水凝胶：在前驱体溶液中加入单体、交联剂和引发剂后，进行光聚合反应，在2min内得到单畴水凝胶。该水凝胶浸入室温水中后，在平行和垂直于NSs取向方向上呈现出不同的线性膨胀比。

2.图案化各向异性水凝胶

多步制备过程：通过多步电场诱导NSs取向和光刻聚合制备。先进行第一步电场诱导取向，然后通过光掩模进行紫外光照射，使曝光区域形成各向异性凝胶，未曝光区域NSs可重新取向。再施加不同方向的电场，最后再次紫外光照射，使整个前驱体溶液聚合，得到具有复杂结构的图案化水凝胶。

结构验证：例如条纹图案的水凝胶，其NSs正交取向在横截面上呈现出交替的暗亮区域的双折射颜色，证明了NSs的取向和结构的形成。

（二）性能表征

1.结构表征

光学显微镜观察：使用偏光显微镜（POM）从不同方向观察水凝胶，包括顶部（法线方向n）以及与NSs取向平行（//方向）和垂直（⊥方向）的方向。结果显示法线和平行方向有强且均匀的双折射，垂直方向无，证明NSs的取向。

小角X射线散射测量：对单畴水凝胶进行测量，在法线和平行方向观察到强各向异性散射，垂直方向无，从而确定NSs在凝胶中的平面间距和取向度。

2.力学性能测试

将水凝胶切割成哑铃状样品，在平行和垂直于NSs取向方向上，使用拉伸试验机以100mm/min的拉伸速率进行测试，得到杨氏模量、断裂应力和断裂应变等数据，结果表明沿平行方向的杨氏模量约为垂直方向的3倍。

3.摩擦系数测量

使用流变仪测量水凝胶对不同基底的摩擦系数。以PNIPAAm水凝胶对PVC基底为例，在不同温度下进行测试，发现温度高于临界溶解温度（Tc）时，摩擦系数增加。对于含AuNP的水凝胶，光照射下摩擦系数迅速变化。

三、实验结果

（一）单畴水凝胶性能

1.各向异性性能

力学性能：由于NSs和PNIPAAm网络组成的各向异性结构，使得水凝胶在不同方向上力学性能不同，如杨氏模量差异。

光学性能：呈现出各向异性光学特性。

热响应性能：在热刺激下，水凝胶在40°C时迅速变形，⊥方向膨胀，平行和法线方向收缩，体积几乎不变，这种等容变形是由于PNIPAAm的特性以及介质介电常数变化导致的。与不含NS的PNIPAAm凝胶对比，其变形速度更快且可逆。

2.光响应性能

在水凝胶中加入AuNPs后，由于其高光热效率，通过光照射可调节局部温度，从而使水凝胶实现可逆的等容变形，且变形与温度变化相关。

（二）图案化各向异性水凝胶变形

图案化水凝胶在外部刺激下，离散区域沿不同方向变形，导致内部应力积累，驱动水凝胶屈曲形成三维形状。如条纹图案水凝胶在不同角度下呈现不同变形，45°角时形成螺旋，90°或0°时形成管状或卷状。

（三）光驱动运动

1.爬行运动

将单畴水凝胶片放在PVC基底上，用光束扫描模拟爬行。当NSs纵向排列时，凝胶向前爬行；横向排列时则向后爬行。爬行速度受凝胶尺寸、光功率强度和扫描速度影响。

爬行机制与摩擦力调节有关，通过测量摩擦系数及观察发现，含AuNP的水凝胶在光照射下与PVC基底的摩擦力变化促使凝胶实现爬行，数值模拟也证实了这一机制。在亲水基底上，凝胶爬行情况不同，体现了摩擦力在运动中的关键作用。

2.行走和转弯运动

以条纹图案水凝胶模拟尺蠖行走，局部光照射使凝胶内部应力和弯曲曲率增加，实现与扫描方向相反的行走。

通过数值模拟研究其运动学，行走步长约6mm/周期，受凝胶尺寸和扫描条件影响。

当扫描路径与条纹成角度时，水凝胶每次扫描后改变方向，连续扫描积累旋转角度，转弯运动学通过模拟也得到揭示，转弯步长同样受相关因素影响。

四、研究结论

本研究成功制备了具有复杂结构的肌肉样水凝胶，并通过光照射和摩擦调节实现了其多模态运动。

这种方法为设计具有仿生机制的连续体软机器人提供了原理和策略，对软机器人的发展具有重要意义。

五、一起来做做题吧

1、许多生物能够穿越复杂环境，其基本运动依靠的是（）

A.特殊的骨骼结构

B.发达的神经系统

C.肌肉组织

D.独特的皮肤构造

2、在单畴水凝胶合成中，用于诱导氟锂蒙脱石（NSs）取向的电场是（）

A.直流电场

B.低频交流电场

C.高频交流电场

D.脉冲电场

3、图案化各向异性水凝胶制备过程中，第二次紫外光照射的作用是（）

A.使NSs初次取向

B.使未反应区域的NSs重新取向

C.使整个前驱体溶液在先前保护区域聚合，冻结NSs的重新取向结构

D.仅仅为了增强水凝胶的强度

4、单畴水凝胶在热刺激下，在40°C时，垂直于NSs取向方向（⊥方向）的变形情况是（）

A.收缩到原始长度的0.8倍

B.膨胀到原始长度的1.5倍

C.长度几乎不变

D.收缩到原始长度的0.5倍

5、含AuNP的水凝胶在光照射下，对PVC基底的摩擦系数（）

A.保持不变

B.迅速增加，关闭光后逐渐降低

C.迅速降低，关闭光后逐渐增加

D.先降低后增加

6、本研究对软机器人发展的主要贡献是（）

A.发现了一种新的水凝胶材料

B.提供了一种通过光照射和摩擦调节实现水凝胶多模态运动的方法，为连续体软机器人设计提供了原理和策略

C.改进了传统软机器人的制造工艺

D.解决了软机器人能源供应问题

参考文献：

Zhu QL, et al. Light-steered locomotion of muscle-like hydrogel by self-coordinated shape change and friction modulation. Nat Commun. 2020 Oct 14;11(1):5166.