电荷诱导形变凝胶在仿生驱动中的应用

《Advanced Functional Materials》：Charge-Induced Morphing Gels for Bioinspired Actuation

电活性等容同形凝胶通过电荷注入和同种电荷排斥实现快速可逆的大变形，保持拓扑和体积不变，模拟肌肉变形机制，应用于流体操控、动态显示和软体机器人

　　生物启发的刺激响应系统在多个领域中展现出巨大的创新潜力。这些系统能够在外部刺激下实现主动变形，从而模拟自然界中复杂的行为模式。然而，现有的驱动系统往往受到变形能力的限制，难以实现大规模、可逆的形态变化。为解决这一问题，研究者提出了一种新的电活性同构等容凝胶（HIG）驱动机制，该机制能够在保持体积不变和拓扑等价的前提下，实现显著且可逆的形状变化，与肌肉的变形行为相似。通过将电荷注入凝胶的近端并使其在远端边缘积累，结合外部电场和同性电荷之间的排斥力，HIG能够克服材料的内部应力，实现显著的形态转变。这种同构等容变形使得HIG能够模拟自然界中由肌肉驱动的细胞结构的运动，如纤毛状的摆动和色素细胞的扩张。通过实验验证，HIG在流体操控、反射显示和柔性机器人等应用中展现出广泛的应用前景。

自然界中的生物体经过漫长的进化，发展出独特的结构和功能，以适应其生存环境。这些生物的变形能力使其能够进行大规模的可逆形态变化，从而与无序环境进行交互。变形可以分为两种基本类型：等容变形（isochoric deformation）和同构变形（homeomorphic deformation）。等容变形指的是物体在体积保持不变的情况下发生形变，例如章鱼的变形；而同构变形则是指物体及其变形之间在拓扑上保持一致，如蝌蚪在发育过程中变为青蛙的形态变化。相反，某些植物如“喜马拉雅”（Monstera deliciosa）则表现出非同构的变形特征。通过模仿这些生物的变形特性，生物启发的系统能够实现高效的变形控制，为现代科技提供创新性的解决方案。

在现有的刺激响应系统中，流体驱动的软体执行器因其能够产生显著的形变和输出力而被广泛使用。然而，这类系统依赖于体积庞大且复杂的泵送和管路结构，且泄漏问题限制了其重复性。相比之下，等容系统通常由光、热或湿度驱动，能够实现小范围的局部形变，并将其转化为整体的运动模式，如弯曲、扭转、卷曲和折叠。然而，等容系统的变形幅度有限，且需要直接接触电极，这进一步限制了其复杂变形的能力。而磁场驱动的材料虽然能够实现显著的形态变化，如拉伸，但其复杂性要求精细的制造和材料编程，且控制磁场需要精确的设备，限制了其应用范围。

本研究提出了一种基于电荷驱动的同构等容凝胶（HIG）执行机制，该机制能够在保持拓扑和体积不变的前提下实现快速、大范围、可逆的形态变化。HIG的结构包括一个柔软的基质和导电网络，基质由弹性体和电介质液体构成，而导电网络则由碳纳米颗粒组成。通过调整这些组分的比例，可以实现材料性能的可调性。实验表明，随着液体含量的增加，材料的存储模量下降，这表明液体的比例对材料的机械性能有显著影响。而碳含量的增加对存储模量的影响较小，这说明在低浓度下，碳材料能够显著提升电介质的导电性能，同时对材料的机械性能影响不大。当碳含量超过临界阈值时，导电网络形成，使材料从绝缘体转变为导体，从而增强其执行能力。为了实现最佳的执行效果，选择了70%的液体比例和0.5%的碳含量作为后续实验的参数。

在电荷注入过程中，HIG材料能够通过电场作用产生扩展和分布的力。这些力能够克服材料的弹性，同时保持初始形态与变形后的形态在拓扑和体积上的一致性。这种结合电荷驱动与同构等容变形的机制，使得HIG能够实现快速、可逆的形态变化，同时保持结构完整性。这种特性赋予HIG广泛的形态适应能力，适用于多种功能。由于HIG的同构等容变形在生物系统中普遍存在，如人体肌肉的变形，因此HIG在生物启发应用中具有重要的潜力。作为概念验证，研究人员展示了类似于纤毛的执行和类似于色素细胞的变色能力，利用线性变形（如拉伸和弯曲）和面积扩展能力分别实现。通过探索执行机制、变形模式和控制策略，研究人员揭示了HIG在流体操控和显示应用方面的广泛潜力。

在HIG的执行过程中，通过电荷注入可以实现复杂的形态变化。例如，在实验中，研究人员设计了一种基于HIG的纤毛结构，能够实现类似于自然界纤毛的运动模式。通过将电荷注入电极，并使其在HIG的远端积累，研究人员观察到HIG在电场作用下能够进行拉伸和弯曲。在电场作用下，HIG能够以特定的周期性方式进行运动，如在4秒的周期中，前1秒进行电荷注入和拉伸，后3秒进行电荷释放和恢复。这种周期性的运动模式能够产生显著的流体流动，并形成复杂的涡旋结构。研究人员还观察到，在电荷注入过程中，HIG能够产生显著的不对称运动，这在自然界中是常见的，如鸭子在划水时的运动模式，但在人工纤毛系统中较为少见。通过这种不对称的运动模式，HIG能够实现高效的流体运输，如通过拉伸推动流体，而通过恢复过程减少反向流动。

为了进一步展示HIG在生物启发应用中的潜力，研究人员开发了一种类似于章鱼色素细胞的HIG结构。该结构由一个电介质环电极和一个穿入电极组成，环电极和穿入电极之间的电场作用能够驱动HIG进行面积扩展。在实验中，研究人员通过调整电极的尺寸和位置，优化了HIG的面积扩展能力。例如，当环电极的内径和外径分别为8毫米和16毫米时，HIG能够实现高达880%的面积扩展。通过控制电荷注入的电压，研究人员实现了对HIG变形的精确控制，包括面积变化、形状调整和运动方向的改变。此外，HIG的面积扩展能力还可以用于模拟复杂的图案，如通过独立控制每个像素单元，实现多种形状和模式的变化。研究人员通过使用MATLAB程序，将多个像素单元组合起来，模拟了著名的蒙娜丽莎图像，展示了HIG在反射显示中的潜力。

HIG的执行能力不仅体现在其形态变化上，还体现在其对多种环境的适应性上。例如，通过改变电极的配置和电压信号，研究人员能够实现HIG在不同空间中的扩展，如在三角形、方形和圆形的约束空间中，HIG能够填充这些空间并形成特定的形状。这种能力使得HIG在反射显示和信息传输方面具有广泛的应用前景。此外，HIG的面积扩展还可以通过调整电压的大小和频率，实现不同的变形程度。例如，在不同电压条件下，HIG能够表现出七个不同的扩展级别，从而实现更精细的图案变化。这种扩展能力使得HIG能够模拟多种图像，如3位的数字图像，为未来的显示技术提供了新的思路。

HIG的执行机制依赖于外部电场的作用和内部同性电荷之间的排斥力，使得材料能够实现拉伸和面积扩展。通过实验，研究人员验证了HIG在多种形态变化中的能力，包括垂直方向的变形和收缩。这种机制使得HIG能够实现多样化的形态转变，为未来的研究提供了新的方向。同时，HIG的结构优化也被认为是提升其执行性能的关键因素。例如，通过调整电极的配置和HIG的几何形状，可以增强其执行能力，提高变形幅度和对比度。此外，HIG的色素细胞能够通过改变其颜色，实现可逆的变色效果。这种能力使得HIG在多种应用中具有更大的灵活性，如在反射显示和信息传输中，能够通过不同的颜色变化实现更丰富的表现形式。

在实验中，研究人员还验证了HIG在不同环境下的执行能力。例如，在空气和低压环境中，HIG的执行机制能够适应不同的条件，实现更广泛的变形。此外，HIG的执行过程还能够与其他材料相互作用，如在微流体系统中，HIG能够通过电荷驱动实现精确的流体操控。通过实验，研究人员展示了HIG在多种应用场景中的潜力，包括流体传输、反射显示和柔性机器人。这些应用不仅能够提升技术的实用性，还能够拓展其在生物启发领域的应用范围。通过进一步的研究，HIG的执行能力有望在更多领域中得到应用，如在信息传输和环境感知中，实现更复杂的功能。

HIG的执行机制还能够与其他技术相结合，以实现更广泛的应用。例如，在反射显示系统中，HIG的像素单元能够通过独立控制实现多种图案的变化，从而提升显示的分辨率和对比度。此外，HIG的执行过程还能够通过不同的电极配置和电压信号，实现更精确的控制。例如，在实验中，研究人员通过调整电极的电压，实现了HIG在不同方向上的扩展和收缩，从而提升了其在流体操控中的能力。这种能力使得HIG能够实现更高效的流体运输，如在实验中，研究人员通过调整电极的配置，实现了HIG在不同空间中的扩展，从而提升了其在反射显示中的表现。

通过实验，研究人员还验证了HIG在不同条件下的执行性能。例如，在不同电压和频率条件下，HIG能够实现不同的变形幅度和运动速度。此外，HIG的执行过程还能够通过不同的电极配置和材料参数，实现更广泛的变形。例如，在实验中，研究人员通过调整电极的尺寸和位置，优化了HIG的面积扩展能力，使其能够在更短的时间内实现更大的变形。这种优化不仅提升了HIG的执行效率，还为未来的应用提供了更多的可能性。

总之，HIG的执行机制不仅能够实现快速、大范围、可逆的形态变化，还能够适应多种环境和应用需求。通过调整电极的配置和材料参数，研究人员能够实现HIG在不同条件下的执行性能。这种能力使得HIG在生物启发的领域中具有重要的应用前景，如在流体操控、反射显示和柔性机器人中。通过进一步的研究，HIG的执行机制有望在更多领域中得到应用，为未来的科技发展提供新的思路。