水凝膠致動器因其獨特的柔軟性、響應性和生物相容性而被認為是肌肉替代和生物醫學應用的有前途的候選者。然而，它們的響應速度和致動強度等性能很難與人體骨骼肌或彈性體致動器相提并論，這種差異源于它們的致動機制。現有的水凝膠促動器大多由溶劑擴散誘導的體積變化驅動，因此具有兩個特點：1）響應速度與溶劑擴散速度相關，并且與材料半徑的平方成正比，這限制了大尺寸材料的制造;2）驅動強度取決于脫脹所做的功，因此具有受溶脹比限制的最大值。因此，大材料尺寸、高響應速度和高驅動強度的組合很難在單個水凝膠中實現。相比之下，人體骨骼肌在整體性能上明顯超過水凝膠致動器。肌肉由高效的區室模式驅動，肌層滑動發生在微響應單元中以產生力和變形。這種機制依賴于名為筋膜的親油組織來協調所有響應單元，原因是筋膜可以定向其變形并收斂其輸出力。
受骨骼肌的啟發，來自北京航空航天大學的學者在這里報告了一種有機水凝膠致動器（OHA），它協同地結合了定向親水響應網絡和親油通信網絡。在OHA中，溶劑可以混淆在疏水微域內，而驅動可以通過響應網絡的定向變形來完成。基于該機制，OHA表現出0.11 Hz的尺寸獨立響應速度和47.3 kPa的驅動強度，超過了傳統的水凝膠（<10−3 Hz和10−1kPa）。采用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）、小角X射線散射（SAXS）和差示掃描量熱儀（DSC）對OHA的體積相變過程進行了顯微鏡分析。這些表征揭示了親油網絡以及響應網絡如何混淆溶劑并實現各向異性驅動。本研究認為肌肉模擬策略可以拓寬水凝膠致動器的現有驅動機制，同時顯著突破其上限效率。相關文章以“High-Performance Organohydrogel Artificial Muscle with Compartmentalized Anisotropic Actuation Under Microdomain Confinement”標題發表在Advanced Materials。
圖1.有機水凝膠促動器的設計概念、機理、制造和結構。A）溶劑擴散驅動的傳統均相網絡水凝膠示意圖。B）人體骨骼肌結構和肌層滑動機制，其中筋膜隔離相鄰肌腈并混淆其驅動方向。C）異質網絡取向有機水凝膠的結構。D）傳統水凝膠遵循以下規則：響應時間與材料半徑的平方成正比
圖2.OHA的驅動速度和應變。A）每個步驟對應的制造工藝和SEM圖像。冷凍干燥后對樣品的每個步驟的SEM圖像進行表征，比例尺為25μm。B）在水環境中驅動的OHA和HA的比較。C） 在 16.7%、28.6%、37.5%、44.4%、50% 和 66% 的親油網絡比下測試的 OHA 的驅動頻率和應變 D） OHA 和 E） HA 在 15 至 60 ℃ 的正十六烷中驅動。
圖3.OHA的驅動強度。A） OHA的拉伸應力-應變實驗，在10 mm min−1，25°C的速度下進行測試。b） 等距模型測試裝置示意圖。C）拉伸比范圍為1至6的有機水凝膠，純PNIPAM凝膠和雙網絡VPT凝膠的驅動強度，通過熱水快速加熱至60°C。D）拉伸比和E）網絡比的驅動強度曲線。F） 驅動強度隨拉伸比和親油-親水網絡比而變化。G） OHA 的周期輸出，由電壓為 0 至 60 V 的電加熱管驅動。H） 有機水凝膠、濕法紡絲纖維、靜電紡絲纖維、光響應凝膠和 VPT 凝膠的驅動強度和驅動頻率比較。
圖4.軟混淆環境下OHA相變過程機理分析.A） CLSM 圖像和網絡結構圖在 15 到 60℃之間，比例尺為 50 μm。B） OHA 和 PNIPAM 的 DSC 測量，以 5℃ min−1的速率從 15 ℃ 加熱到50 ℃。C） 25 ℃下 OHA 的 ATR-FTIR 光譜。D）恢復含有彈性或粘度親油網絡的有機水凝膠的驅動強度。E）OHA與當前水凝膠促動器的性能比較。F） 水蒸氣驅動過程、加熱和冷卻演示
本研究通過結合異構網絡制造了高速、高驅動強度、大型凝膠致動器。親油網絡的軟混淆效應可以概括為三個部分：i）通過形成疏水致密層在微域中混淆溶劑，將水運動從遠程轉變為短程。ii）PNIPAM網絡變形的方向，定向集中驅動力。iii）儲存彈性能以協助伸長過程。本研究相信OHA的網絡變形機理可以為驅動性能的改進提供更多空間，拓寬水凝膠促動劑的應用范圍。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202202193
