基于Mxene的水凝胶执行器具备快速的双向驱动能力、可编程的变形特性以及自感知功能

《European Polymer Journal》：Mxene-based hydrogel actuators with swift bidirectional actuation, programmable deformation and self-sensing functionality

双响应PNIPAM/SA/MXene//P(AAM-co-AA)水凝胶驱动器通过温度与pH协同调控实现±100°至-917°大角度快速弯曲（4.5°/s），结合MXene光热效应与自传感功能，在NIR光照下可监测形变并实现摩尔斯电码信息存储。

　　PNIPAM复合水凝胶因其在软水凝胶驱动器中的广泛应用而备受关注。然而，由于其驱动行为高度依赖于结构特征，仍然面临驱动动力不足、响应速度缓慢以及变形能力有限等挑战。本文提出了一种新型的光热响应PNIPAM/SA/MXene水凝胶，通过将Ti?C?Tx MXene和海藻酸钠（SA）引入PNIPAM基质中，构建了具有光热响应特性的活性层。随后，通过界面渗透的方法，将该水凝胶与pH响应的聚（丙烯酰胺-丙烯酸）[P(AAM-co-AA)]水凝胶结合，形成了具有双层结构的PNIPAM/SA/MXene//P(AAM-co-AA)驱动器。通过调控环境温度和pH值，该驱动器展现出显著的双向驱动能力，包括广泛的弯曲范围（+100°至?917°）和较高的初始速度（4.5°/s在103秒内），使得花形驱动器能够实现快速可编程的花瓣开合。此外，基于MXene的光热效应和PNIPAM骨架的热响应特性，10毫米长的PNIPAM/SA/MXene条带在近红外（NIR）光照射下可在30秒内实现180°旋转，从而模拟帆船的运动。同时，PNIPAM/SA/MXene应变传感器在0%至400%的宽应变范围内表现出良好的灵敏度（GF = 2.54）和超快的响应时间（150毫秒）。在NIR光照射下，基于PNIPAM/SA/MXene的驱动器实现了自感知功能，通过表面温度、弯曲角度和相对电阻变化之间的响应关系，实时监测其变形状态。特别设计的自感知驱动器还能够通过实时电信号和图案变化感知摩尔斯电码，突显了其在智能软机器人和仿生学中的广泛应用潜力。

刺激响应型水凝胶因其对外部刺激（如温度、光、电、磁、pH、湿度、盐分）的敏感性而受到广泛关注，这种特性使其在生物学和软机器人领域展现出广阔的应用前景。通常，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）因其在较低临界溶液温度（LCST，约32°C）附近的独特热响应性而被广泛用于构建刺激响应型水凝胶。通过引入多种光热材料，如导电聚合物、碳基材料、金属和金属氧化物，以及MXenes，PNIPAM复合水凝胶实现了多种刺激响应特性，并具备良好的驱动性能。其中，这些光热材料具有优异的导电性，赋予了基于PNIPAM的水凝胶同时具备光控驱动和自感知的多功能性。然而，基于PNIPAM的水凝胶在驱动性能方面仍有待提升，特别是在平衡驱动速度与机械性能方面。高度多孔的结构虽然能够加速水的排出，从而实现快速驱动，但由于聚合物链密度较低，可能会损害其机械性能。常见的策略是通过构建多孔梯度结构来提高水凝胶驱动器的响应速度，但控制孔径和分布仍然是一个挑战，这主要归因于合成过程中沉降与水凝胶化之间的复杂相互作用和竞争。

实际上，水凝胶驱动器的驱动主要依赖于由于水吸收和释放引起的膨胀压力变化。各向异性结构（如分层双层）也可以在不同刺激或可调条件下实现驱动，表现出卓越的驱动速度和多向运动能力。例如，Liu等人利用纹理空气纸开发了一种仿生双层结构，该结构由热敏感的PNIPAM-粘土复合水凝胶层和乙醇敏感的P(AAm-co-AMPS)水凝胶层组成。基于这种双层水凝胶的驱动器实现了快速双向驱动，同时在热水中表现出较高的弯曲速度和较大的弯曲幅度，但其机械性能仍然不足。Geng等人则构建了一种双层水凝胶驱动器，其中PNIPAM/纤维素纳米纤维（PNIPAM/CNF）作为上层，而聚（丙烯酰胺-丙烯酸）/CNF（P(AAM-co-AA)/CNF）作为下层。该设计实现了10.21°/s的高弯曲速度、729.5±21.5 kPa的机械强度和406.5±11.3%的断裂伸长率，机械性能的提升归因于纤维素纳米纤维的协同作用。然而，该驱动器仅表现出单向的临时变形。Zhong等人也构建了一种双层水凝胶驱动器，其中驱动层为P(NIPAM-HEMA)水凝胶，传感层为掺杂碳纳米管（CNT）和液态金属（LM）的P(AAM-AA)水凝胶。这种设计提供了更高的灵活性和更精确的自感知能力，但嵌入蛇形铜丝加热器在层间增加了制造的复杂性。

为了克服现有双层水凝胶驱动器的局限性，本文通过将海藻酸钠（SA）和Ti?C?Tx MXene纳米片引入PNIPAM基质中，构建了一种异层结构。活性的PNIPAM/SA/MXene层能够通过温度响应性和近红外光热转换实现双重驱动，而P(AAM-co-AA)层则表现出显著的pH和温度响应协同性。它们的互补特性使得双层驱动器能够实现高速的双向弯曲，从而实现多种仿生驱动。值得注意的是，由于MXene的高光热效率，PNIPAM/SA/MXene层可以在局部近红外光照射下实现可编程的多步驱动。同时，由于PNIPAM/SA/MXene水凝胶具有良好的导电性，还具备应变感知能力。更重要的是，通过NIR驱动实现了自感知功能。结合其优越的驱动能力和自监测能力，本文开发了一种基于摩尔斯电码的信息存储系统，突显了其在智能软机器人和仿生学中的广泛应用潜力。

本文的研究成果不仅提供了一种简便的制备方法，还通过创新性的材料组合和结构设计，显著提升了水凝胶驱动器的性能。PNIPAM/SA/MXene层通过光热响应和温度响应实现了快速的双向驱动，而P(AAM-co-AA)层则通过pH响应增强了驱动器的响应能力。这种双层结构的协同作用使得驱动器能够在多种刺激下表现出卓越的驱动性能，同时具备良好的自感知能力。特别是在NIR光照射下，PNIPAM/SA/MXene层能够实现快速的光热驱动，使得驱动器在30秒内完成180°的旋转，模拟帆船的运动。此外，基于PNIPAM/SA/MXene的应变传感器在0%至400%的宽应变范围内表现出良好的灵敏度和超快的响应时间，这使得驱动器能够实时监测自身的变形状态。通过将这些特性结合，本文开发了一种基于摩尔斯电码的信息存储系统，能够通过实时电信号和图案变化感知摩尔斯电码，展示了其在智能软机器人和仿生学中的应用潜力。

在材料选择方面，本文使用了多种高纯度的原料，包括海藻酸钠（SA）、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、过硫酸铵（APS）、丙烯酰胺（AAM）、亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）、N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED）以及2-羟基-2-甲基丙基苯酮（光引发剂1173），这些材料均从Aladdin Ltd.（上海，中国）购买。Ti?C?Tx MXene粉末则从Xinxi Technology Co., Ltd.（佛山，中国）购买。这些材料的选择基于其在刺激响应和自感知方面的优良性能，能够有效提升水凝胶驱动器的整体表现。

在制备方法上，本文采用了分层策略来构建PNIPAM/SA/MXene//P(AAM-co-AA)水凝胶驱动器。首先，通过光聚合在30分钟内合成了P(AAM-co-AA)的被动层。然后，将含有NIPAM、SA、Ti?C?Tx MXene和PEGDA的前驱溶液进行处理，以构建活性层。这种分层制备方法不仅能够有效控制各层的结构和性能，还能够在不同刺激下实现协同驱动，从而提升驱动器的整体响应能力和变形能力。通过这种方法，本文成功制备了具有双层结构的水凝胶驱动器，该驱动器在多种刺激下表现出良好的驱动性能，同时具备自感知能力，能够实时监测自身的变形状态。

在实验结果方面，本文通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）对Ti?C?Tx MXene的形貌进行了表征，结果显示其具有纳米片结构，平均厚度约为10纳米，横向尺寸在1-3微米之间。这些形貌特征为后续的性能测试提供了基础。PNIPAM/SA/MXene//P(AAM-co-AA)水凝胶驱动器的成功制备验证了该分层策略的有效性。通过调控环境温度和pH值，该驱动器能够实现双向驱动，包括广泛的弯曲范围和较高的初始速度，使得花形驱动器能够实现快速可编程的花瓣开合。此外，基于MXene的光热效应和PNIPAM骨架的热响应特性，10毫米长的PNIPAM/SA/MXene条带在近红外光照射下可在30秒内实现180°旋转，模拟帆船的运动。同时，PNIPAM/SA/MXene应变传感器在0%至400%的宽应变范围内表现出良好的灵敏度和超快的响应时间，这使得驱动器能够实时监测自身的变形状态。

在讨论部分，本文进一步探讨了水凝胶驱动器在不同刺激下的性能表现。PNIPAM/SA/MXene层通过温度响应性和光热转换实现了快速的双向驱动，而P(AAM-co-AA)层则通过pH响应增强了驱动器的响应能力。这种双层结构的协同作用使得驱动器能够在多种刺激下表现出卓越的驱动性能，同时具备自感知能力，能够实时监测自身的变形状态。此外，基于MXene的高光热效率，PNIPAM/SA/MXene层可以在局部近红外光照射下实现可编程的多步驱动，这使得驱动器能够模拟更复杂的运动模式。同时，由于PNIPAM/SA/MXene水凝胶具有良好的导电性，还具备应变感知能力，这使得驱动器能够实时监测自身的变形状态，从而实现自感知功能。通过将这些特性结合，本文开发了一种基于摩尔斯电码的信息存储系统，能够通过实时电信号和图案变化感知摩尔斯电码，展示了其在智能软机器人和仿生学中的应用潜力。

综上所述，本文通过创新性的材料组合和结构设计，成功制备了一种具有双层结构的PNIPAM/SA/MXene//P(AAM-co-AA)水凝胶驱动器。该驱动器不仅具备优异的驱动性能，还能够实现自感知功能，能够实时监测自身的变形状态。通过调控环境温度和pH值，该驱动器能够实现双向驱动，包括广泛的弯曲范围和较高的初始速度，使得花形驱动器能够实现快速可编程的花瓣开合。此外，基于MXene的高光热效率，PNIPAM/SA/MXene层可以在局部近红外光照射下实现可编程的多步驱动，模拟更复杂的运动模式。同时，由于PNIPAM/SA/MXene水凝胶具有良好的导电性，还具备应变感知能力，这使得驱动器能够实时监测自身的变形状态，从而实现自感知功能。通过将这些特性结合，本文开发了一种基于摩尔斯电码的信息存储系统，能够通过实时电信号和图案变化感知摩尔斯电码，展示了其在智能软机器人和仿生学中的广泛应用潜力。该研究不仅为水凝胶驱动器的制备提供了新的思路，还为智能软机器人和仿生学的发展奠定了基础。