在单一热场作用下具有可调弯曲特性的双向水凝胶驱动器

《ACS Applied Polymer Materials》：Bidirectional Hydrogel Actuators with Tunable Bending under a Single Thermal Field

双水凝胶执行器通过热敏PNIPAM/PSBMA层和光热聚多孔胺层协同作用，实现单刺激下双向弯曲。热刺激下电负性增强使收缩效率提升600%，近红外光热驱动反向弯曲，厚度优化后响应快、弯曲幅度超180°，仅通过自由基聚合制备，为多功能软机器人提供新策略。

　　

水凝胶驱动器是一种智能软材料，能够在外部刺激的作用下发生变形，因此在软体机器人和生物医学领域具有巨大应用潜力。然而，现有系统存在一些固有的局限性：单一刺激响应的驱动器缺乏可编程性和功能复杂性，而多响应设计则常常受到材料不相容性和复杂制造工艺的阻碍。为了解决这些问题，我们提出了一种双层水凝胶驱动器，该驱动器包含两个活性层：一层热响应性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）/聚硫酸化甜菜碱甲基丙烯酸酯（PSBMA）层，用于实现收缩变形；另一层包含多巴胺纳米颗粒的光热层，用于局部加热，从而能够在单一热刺激下实现双向弯曲。热响应层内的协同静电作用显著提高了收缩效率，在50°C时，该层的长度可缩短至原来的58.5%，压缩模量增加了600%以上。同时，近红外光诱导的光热驱动作用使P层收缩至初始长度的约72.3%，从而实现反向弯曲。通过优化各层之间的厚度比例，T₂–P₁驱动器表现出快速响应、大幅度弯曲（>180°）以及可控的双向变形能力。这种双层系统仅通过两种预凝胶溶液的顺序自由基聚合即可构建，无需额外的化学改性步骤，同时保持了多功能驱动特性。这项工作提出了一种简化且通用的策略，用于实现复杂的驱动行为，推动了智能阀门、软夹持器和其他多功能软体机器人系统的发展，而无需依赖多刺激架构。