温敏水凝胶由于其具有良好的生物相容性，响应温度接近于人体温度，被广泛应用于构建水凝胶驱动器。在驱动器领域，能在空气中高速驱动、快速响应的水凝胶致动器是这一研究领域的重大挑战，近日研究人员从含羞草中获得灵感，制备出了超快可控变形的水凝胶致动器。

在上个月，新加坡国立大学Pooi See Lee通过研究发现了，在各向异性纤维网络中纤维素纳米纤维导致具有机械面内增强的水凝胶片，产生单轴，面外应变，性能远远超过聚合物水凝胶。这些纤维水凝胶致动器单轴膨胀250倍，初始速率为100-150% s−1，而各向同性水凝胶的定向应变速率分别为<10倍和<1% s−1。堵塞压力高达0.9 MPa，与膨胀致动器相似，而达到最大压力90%的时间为1-2分钟，而交联聚合物或膨胀致动器则需要10分钟至数小时。我们展示了单轴致动器，可以提升12万倍于自身重量的物体，以及抓取物体的柔软抓手。

此外，水凝胶可以在不损失性能的情况下循环使用。单轴膨胀允许通过凝胶增加通道进行局部溶剂输送，进一步提高了驱动速率和可循环性。因此，纤维网络可以克服水凝胶驱动器的主要缺点，是迈向基于水凝胶的仿生机器的重大进步。

那么什么是水凝胶制动器呢？

软体致动器是可以将外部刺激转换为机械能的智能器件，在传感器、机器人、人造肌肉、生物医学等领域具有广阔的应用前景。作为软体致动器的一种，水凝胶致动器不仅在外界环境的刺激下可以实现10倍以上的体积变化，而且其本身所具有的生物可兼容性、可降解特性使其在可控药物输运、组织工程学、智能开关等方面特别有用。目前，水凝胶致动器在外部环境（例如：化学物质，温度，湿度，电场，光，等等）的刺激下可以实现行走、蠕动、滚动、抓取等功能。然而，水凝胶致动器的驱动主要依赖于水凝胶内外部渗透压的变化而导致的水凝胶自身体积的膨胀和收缩的过程，该过程不仅使水凝胶致动器必须要在有水的环境中运行，而且还导致了水凝胶致动器具有运动速度慢、响应时间长等诸多劣势，极大的制约了水凝胶致动器的实际应用。因此，如何实现在空气中高速驱动、快速响应的水凝胶致动器是这一研究领域的重大挑战。

仿含羞草!超快可控变形的水凝胶致动器

为何仿含羞草？

自然界中广泛存在能够应对不同复杂情况的刺激响应植物，植物结构的丰富性和多样性可以作为研究人员的重要灵感来源，并可能作为开发新型功能材料的基础。例如，具有特殊功能化的植物，如金星捕蝇器和含羞草，叶子在刺激时能够迅速闭合，可以为光响应致动器的设计提供丰富的灵感。温敏水凝胶由于其具有良好的生物相容性，响应温度接近于人体温度，被广泛应用于构建水凝胶驱动器。

什么是光响应水凝胶？

光响应水凝胶：光响应水凝胶是一种新兴的生物材料，可用于各种生物医学应用，包括光热/光动力治疗，再生医学和增材制造等。具有精度高、控制远程、生物相容性优异等优点，广泛应用于软仿生致动器。水分子扩散的过程会直接影响水凝胶的变形。因此，提高水凝胶促动器的响应速度仍然是一个严峻的挑战。

制备各向异性光响应水凝胶，将用于致动器

近日，受含羞草受刺激快速闭合的启发，哈工大赫晓东教授和彭庆宇教授团队将具有良好光热效应和导电性的Ti3C2TxMXene与温度响应型水凝胶PNIPAM结合，采用定向冷冻法设计制备了各向异性光响应水凝胶，其机械性能和导电性在特定方向上得到了增强。同时，在内部定向通道的存在和毛细管力的辅助下，各向异性水凝胶在光照射下可以在2秒内实现70%的体积收缩，同时进一步构建了具有快速响应性能的水凝胶致动器。此外，水凝胶驱动器还可以将比自身重40倍的物体进行提升6mm的距离，实现了响应速度快和高驱动强度的优点，这使得水凝胶致动器在遥控、水流阀门和软体机器人方面具有重要的应用意义。

各向异性水凝胶的设计与构筑

采用定向冻结法制备了具有有序的内部取向结构的各向异性MXene水凝胶，通过扫描电镜观察水凝胶的结构，具备有序的取向结构。对MXene水凝胶的各向异性进行研究，发现其力学性能远远大于各向同性水凝胶，并且平行于网络方向的力学性能和导电率均优于垂直方向，对其不同方向的力学性能进行有限元模拟，模拟结果与实验结果一致。

各向异性水凝胶的光驱动力学性能

利用MXene复合水凝胶的各向异性结构和光热驱动的优势，各向异性水凝胶驱动器实现了可控的光驱动。含羞草的外部刺激后，叶枕的细胞质溶液迅速直接输送到叶和茎上，细胞收缩导致叶闭合。受含羞草特性的启发，MXene复合水凝胶中的定向结构促使其在光刺激后能够在定向孔隙通道中输送水分，在内部定向通道的存在和毛细管力的辅助下，水分子从内部迅速排出，各向异性水凝胶在光照射下可以在2秒内实现70%的体积快速收缩，同时可以构建具有快速响应性能的水凝胶驱动器。

应用前景

研究制备了具有各向异性结构的MXene基导电水凝胶驱动器。MXene复合水凝胶采用定向冷冻方法构筑，在特定方向上具有优异的电化学和机械性能。同时，与各向同性水凝胶相比，MXene复合水凝胶水凝胶表现出有序取向的孔通道，光响应极快，在光照射下2秒内可达到70%的体积收缩率。同时，构造具有快速响应性能的水凝胶驱动器，可以执行快速准确的远程控制。水凝胶的快速响应性和高驱动强度使其在智能软致动器中具有较大的应用前景，并进一步为多功能智能软体机器人提供了新的视角。

文章来源： 高分子科学前沿，苏州大学功能纳米与软物质研究院，高分子能源