纳米纤维素辅助构建导电梯度水凝胶用于远程驱动与自感知软体执行器

针对传统软体执行器缺乏实时信号反馈和远程控制能力的问题，研究人员通过局部浸润策略构建了CNT/TOCN/PNIPAM-PAM梯度导电水凝胶。该材料兼具光热响应（NIR驱动弯曲速度6.25° s-1）与自感知功能（应变灵敏度GF=3.6），突破性实现了驱动-传感一体化，为智能软体机器人发展提供新思路。

　　

在软体机器人和人工肌肉领域，能够对外界刺激产生形变的水凝胶执行器一直是研究热点。然而，现有材料往往面临机械性能不足、响应速度慢、缺乏实时反馈等瓶颈。尤其当需要远程控制时，传统依赖外部摄像监控的系统在弱光环境下表现堪忧。如何让执行器像生物肌肉一样，既能快速响应光信号产生动作，又能自主感知形变状态，成为制约智能软体系统发展的关键难题。

针对这一挑战，江苏农业科学院的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表创新成果。他们巧妙利用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)氧化纳米纤维素(TOCN)的双亲特性，将疏水碳纳米管(CNT)均匀分散于温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)网络中，再通过局部脱水浸润聚丙烯酰胺(PAM)构建梯度结构。这种"纳米纤维素辅助"的制备策略，成功打造出兼具高强度(53.0 kPa)、高延展性(131.1%)和导电性(2.5 S m^-1)的多功能水凝胶。

研究采用三大关键技术：1) TOCN分散CNT形成稳定纳米复合物；2) 自由基聚合法构建半互穿网络；3) 局部浸润诱导梯度结构。通过对比实验证实，含TOCN的体系比其它纳米纤维素体系机械性能提升40%（图S1）。

材料设计与机理
通过TEMPO氧化纳米纤维素的羧基与CNT的π-π相互作用，解决了CNT易团聚的难题。梯度结构的形成源于PAM网络在局部脱水区域的优先渗透，这种非对称结构赋予材料类似生物组织的层间结合力。

性能表征
在808 nm近红外光(NIR)照射下，CNT的光热效应使PNIPAM突破最低临界溶解温度(LCST)，产生6.25° s^-1的快速弯曲响应。导电网络使材料同时具备应变传感功能，可实时监测自身形变（电阻变化率ΔR/R₀达300%）。

应用验证
该水凝胶既能作为重物抓取的光驱动执行器（举重比达1:5），又能高精度识别人体关节运动。更突破性的是，在执行NIR诱导的抓取动作时，无需外接传感器即可通过电阻变化实现闭环控制。

这项研究开创性地将驱动与传感功能集成于单一水凝胶体系，其梯度结构设计有效解决了传统双层材料易分层的问题。通过纳米纤维素与CNT的协同作用，不仅提升了PNIPAM的机械性能，还实现了光热-电信号的双重转化。这种"感知型"软体执行器为开发自主智能机器人提供了新范式，在医疗康复设备、环境交互式机器人等领域具有重要应用前景。论文通讯作者韩景全教授指出，该材料体系未来可通过调控TOCN取代度进一步优化响应速度，为下一代仿生智能材料设计指明方向。