大家好，今天我们要来了解一项关于响应式水凝胶Aquabots的研究——《Responsive‐Hydrogel Aquabots》发表于《Advanced Science》。在当今科技发展中，制造能像生物体一样具有响应适应性的软机器人是个挑战。而Aquabots为解决这个问题带来了新的突破。它通过独特的制备方法，将响应性水凝胶集成其中，使其具备了多种优异性能，如可逆收缩、通过狭窄空间、弹性增强以及导电性能等。这些特性为其在医疗、电子等领域的应用提供了广阔前景。接下来，让我们深入了解一下吧。
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一、引言
在当今科技发展中，模仿生物体响应适应性的软机器人的研发是一个重要的挑战。例如，海洋生物如章鱼能挤入狭窄空间，河豚能膨胀以抵御捕食者，这些生物的响应适应性需要传感器和执行器的集成，同时不损害实现快速变形所需的机械灵活性。然而，当前的弹性软机器人在添加传感功能时，通常需要通过多步集成过程将各个庞大的组件物理连接，这不仅导致应力集中和粘附问题，还限制了运动性和小型化。
二、响应性水凝胶的应用与挑战
交联的水胀聚合物凝胶网络，如聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶，可对温度等变化做出响应。例如，当加热到临界溶液温度（LCST）以上时，PNIPAM水凝胶会发生收缩，导致水被排出，体积减小。
近年来，响应性水凝胶已被应用于多种领域。例如，多材料响应性水凝胶已被图案化为脂质滴网络的软磁致动器，还被用于毫米级软机器人，使其具备多模态运动、光热响应和光学伪装等功能。最近，基于电响应水凝胶开发出了一种能够进行内在压阻传感和光/热驱动的软体感致动器。
然而，响应性水凝胶基软执行器或机器人存在一些挑战，它们通常是完全固化的大块结构，缺乏自然系统中典型的级联反应系统所需的微米级分隔，并且其变形能力受到底层大块流变学的限制，收缩程度受含水量的限制。
三、Aquabots的制备与性能测试
3.1制备方法
通过水相分离诱导的光聚合和全水3D打印相结合的方法，克服了传统水凝胶制备方法的挑战。在打印过程中，利用水相分离来生成Aquabots的内部分层微结构，而不是操纵光束的运动。
为了测试渗透对Aquabots功能化的影响，进行了如下实验：将含有10wt.%葡聚糖（Mw=10000gmol-1）和5wt.%聚乙二醇（Mw=8000gmol-1）的水溶液滴，溶解在含有石墨烯纳米片、N,N
’
-亚甲基双丙烯酰胺（MBAm）交联剂、NIPAM单体和光引发剂分子的水中，然后将该液滴放置在25wt.%聚乙二醇6（Mw=8000gmol-1）的水溶液连续相中。根据UV光照前的等待时间不同，可以观察到各种固化结构。例如，液滴形成后立即暴露于UV下，会形成完全固化的水凝胶颗粒；延迟5秒曝光，会形成壁厚随渗透运输时间而减小的胶囊；延迟120秒曝光，液滴无法固化，只观察到石墨烯纳米片聚集在界面处。
通过控制打印条件，如墨水的流速、打印喷嘴的直径和打印速度，可以轻松调整通过界面组装稳定的打印液体的直径，实现了直径小至100
μ
m的Aquabots。
3.2可逆收缩能力测试
测试了由PNIPAM制成的Aquabots在加热和冷却时的直径变化。加热时直径从376
μ
m收缩至346
μ
m（35℃，高于PNIPAM的LCST32℃），冷却时直径扩展至接近原始尺寸（25℃，低于LCST）。
通过降低光交联程度来增强收缩程度。如图2B所示，从25℃加热至50℃，4wt.%浓度交联剂制成的Aquabots直径从422
μ
m收缩至319
μ
m（24.4%维度缩减），而2wt.%浓度交联剂制成的Aquabots直径从425
μ
m收缩至170
μ
m（60%维度缩减）。不同交联剂浓度（2和4wt.%MBAm）制备的多个Aquabots的维度收缩比，2wt.%MBAm的平均维度收缩比为53.8%，标准偏差为4.8%；4wt.%MBAm的平均维度收缩比为25.9%，标准偏差为4.9%。
利用金纳米棒（AuNRs）和石墨烯纳米片（GNPs）作为光热材料，实现了Aquabots在室温下的可逆光热收缩。当机器人暴露于高强度可见光时，直径从384
μ
m收缩至342
μ
m（11%收缩），移除光源后，机器人恢复原始尺寸。
3.3通过狭窄空间能力测试
Aquabots可利用按需收缩的特性通过比其原始尺寸更窄的空间。初始直径为555
μ
m的Aquabot无法进入438.5
μ
m宽的通道，加热后直径减小至380
μ
m，在梯度磁场的作用下可顺利进入通道，并在离开通道后冷却恢复原始尺寸。进入通道后，整个按需收缩的Aquabot可以通过更窄的通道。
3.4弹性测试
基于PNIPAM水凝胶膜的Aquabots的弹性增强。通过Instron配备的敏感力传感器测量其机械性能，屈服应力可达9kPa，最大拉伸比高达1.45，杨氏模量仅为1.67kPa，表明其超柔软性。水凝胶膜的杨氏模量（1.67kPa）远小于大块水凝胶（37.24kPa），这是由于其相分离的多孔结构和较松散的聚合物网络。
3.5导电性能测试
使用导电聚合物功能化PNIPAM膜来构建电子传感器。将水溶性磺化导电聚苯胺（PANI）溶解在墨水中，将水溶性导电聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）溶解在基质相中。在打印过程中，PNIPAM网络首先快速光聚合形成膜，PEDOT:PSS和磺化PANI分子由于PSS的SO
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基团与PANI的质子化NH
