《Chem. Eng. J.》：4D打印仿生自傳感水凝膠驅(qū)動器

來源：高分子科技

在自然界中，許多生物組織，如肌肉、皮膚、神經(jīng)、木材、葉子和花朵由高度定向排列的微結(jié)構(gòu)組成，呈各向異性，是實現(xiàn)定向力傳導(dǎo)、信號傳遞和驅(qū)動的關(guān)鍵機制。例如，松果定向原纖維失水和吸水驅(qū)動其開、關(guān)。在溫度、濕度、光、力的刺激下，植物的各向異性結(jié)構(gòu)發(fā)生動態(tài)構(gòu)象變化，產(chǎn)生運動。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了大量各向異性的仿生驅(qū)動器和仿生傳感器，但如何模仿生命體，研制驅(qū)動-傳感一體化的智能新材料，構(gòu)建具有自我感知功能的軟驅(qū)動器，仍是有待研究的前沿課題，對智能軟機器人的發(fā)展具有重要意義。

圖1 仿生4D打印各向異性自傳感驅(qū)動器

中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院付俊教授團隊致力于研究高性能仿生柔性驅(qū)動器（Mater Horiz 2023, 10.1039/D3MH00718A; Chem Eng J 2022, 450 138346; ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 26476）和傳感器（Mater Horiz 2020, 7, 1872-1882; J Mater Chem B 2021, 9, 4423-4443; Langmuir 2022, 38, 11503-11513; J Polym Sci 2022, 60, 2605-2606），報道了感知-驅(qū)動一體化的碳纖維復(fù)合水凝膠器件（Adv Funct Mater 2023, 33, 2211189）。

該團隊的最新進展報道了4D打印仿生各向異性的自感知水凝膠驅(qū)動器（圖1）。以短碳纖維/溫敏水凝膠前驅(qū)液為墨水，利用擠出式3D打印的剪切力使短碳纖維（長約1 mm）在聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠內(nèi)部定向排列，形成各向異性結(jié)構(gòu)。碳纖維的取向排列使溫敏水凝膠呈溫度響應(yīng)各向異性：當(dāng)溫度改變時，水凝膠在平行于碳纖維方向和垂直于碳纖維方向的溶脹或收縮率不同，不均勻的溶脹和收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，驅(qū)動變形。精確調(diào)控打印路徑、定義碳纖維的取向方向，可靈活地調(diào)節(jié)水凝膠的形變路徑。利用有限元分析（FEA）可以對變形進行模擬和設(shè)計（圖2），構(gòu)筑了多種仿生軟驅(qū)動器（如捕蠅草和蝴蝶），實現(xiàn)了可控的溫敏變形驅(qū)動（圖2）。

圖2 (a, b)水凝膠的打印路徑及(c, d)水凝膠在常溫水溶液中的變形和有限元模擬。標(biāo)尺：5 mm。(e)捕蠅草及仿捕蠅草4D打印的水凝膠。(f)蝴蝶及仿蝴蝶4D打印的水凝膠。標(biāo)尺：5mm。

碳纖維的高電導(dǎo)率和取向結(jié)構(gòu)賦予復(fù)合水凝膠較好的傳感性能。作者系統(tǒng)地研究了打印路徑、水凝膠圖案、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等不同幾何特征對傳感性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維排列方向與拉伸方向相同時，此時的靈敏度最高且檢測范圍最大（圖3）。將這種傳感器貼附在手腕，手肘等關(guān)節(jié)處，能夠?qū)崟r監(jiān)測關(guān)節(jié)的運動（圖4a, b)；將其貼附于聲帶，能夠檢測喝水和說話導(dǎo)致的微弱的振動（圖4c, d）。

圖3 沿(a)平行、(b)垂直于拉伸方向和(c)與拉伸方向成45o角打印的水凝膠的靈敏度。(d-i)不同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)水凝膠的靈敏度。標(biāo)尺:5mm。

短碳纖維復(fù)合水凝膠的傳感性能主要源于碳纖維在凝膠變形過程中的相對滑移。當(dāng)溫度改變時，水凝膠發(fā)生變形，其內(nèi)部的碳纖維會隨之發(fā)生相對移動，導(dǎo)致水凝膠電阻的變化。這就為驅(qū)動-傳感一體化提供了可能。該團隊打印了花瓣形和蝴蝶形的溫敏復(fù)合水凝膠驅(qū)動器，調(diào)節(jié)溫度，在水凝膠驅(qū)動過程中實時監(jiān)測材料電阻率變化，當(dāng)水凝膠驅(qū)動器在25℃和50℃之間反復(fù)驅(qū)動過程中，檢測到穩(wěn)定、可重復(fù)的電阻變化，二者呈現(xiàn)很強的相關(guān)性（圖4f, h）。因此，該研究實現(xiàn)了對水凝膠驅(qū)動的自我監(jiān)測。該方法可為智能軟機器人的自我感知和反饋系統(tǒng)提供一定的啟發(fā)。

圖4 水凝膠傳感器監(jiān)測(a)手指、(b)肘部的運動信號，以及聲帶在(c)喝水、(d)說“嗨”時的信號。(e)花形驅(qū)動器的自感知原理圖及(f)在25℃和50℃下可逆驅(qū)動的信號。(j)蝶形驅(qū)動器的自感知原理圖及(h)在25℃和50℃下翅膀揮舞時的信號。標(biāo)尺：5 mm。

該研究開發(fā)了一種方便、可編程的仿生各向異性水凝膠驅(qū)動器的制備方法，為軟驅(qū)動器與傳感器的集成開辟了一條道路，對于智能軟機器人的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的意義。

該工作以“4D Printing of Biomimetic Anisotropic Self-sensing Hydrogel Actuators”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal。

論文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1hbs8_VWlWH2ml