大家好！今天我们来了解一种光和电激活的水凝胶——《Autonomous hydrogel locomotion regulated by light and electric fields》发表于《SCIENCE ADVANCES》。在科技的广袤天地里，机器人技术不断发展，但传统机器人面临诸多局限。而生命现象中，生物能凭借自身特性在复杂环境中巧妙生存。本研究致力于开发一种光和电激活的水凝胶，它仿佛拥有生命的智慧。那么，这种水凝胶究竟如何在光场和电场的作用下，实现自主运动、捕获货物以及避开障碍呢？让我们开启这场探索之旅。
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本文只做阅读笔记分享
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一、研究背景与意义
软物质在机器人应用中具有潜力，但传统软机器人材料在执行复杂任务时存在局限，如需要分步控制或编程刺激，且难以在恒定刺激下持续工作。而许多生物行为能在恒定刺激下持续运作，受此启发，本研究旨在设计一种光和电激活的水凝胶，使其在简单恒定刺激下实现自主功能，如捕获和运送货物、避障及返回等。
二、螺吡喃功能化聚合物的电荷反转
（一）实验设计
本研究采用两种不同净电荷的螺吡喃分子，一种可从带正电的MCH
+
转变为中性SP，另一种含磺酸基团，从两性离子MCH
+
(SO
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)转变为带负电的SP(SO
3
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)。将这些螺吡喃分子通过可聚合的甲基丙烯酸酯基团合成螺吡喃-PNIPAM聚合物，然后将不同比例的螺吡喃分子掺入N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）聚合物链中。例如，在制备过程中，将NIPAAm、交联剂MBAAm、螺吡喃分子等溶解在特定溶剂中，通过自由基聚合形成水凝胶前体，再经过浸泡等处理得到最终的水凝胶膜。
（二）实验结果
1、ζ-电位测量
空白PNIPAM的ζ-电位在光照前后几乎为零。而螺吡喃-PNIPAM聚合物表现出光控ζ-电位和电荷反转行为。对于含有两种不同螺吡喃部分的SP/SP(SO
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)系统，随着SP(SO
3
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)含量增加，Δζ变小。这是因为带负电的磺酸基团增加了聚合物的水动力半径，降低了表面电荷密度。
光开关完全可逆，在五个光-暗循环中，SP、SP(SO
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)和SP/SP(SO
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-
)功能化聚合物在黑暗中孵育2小时后可恢复初始电荷状态。
2、电荷反转时间调节
虽然ζ-电位值与表面电荷密度有关（取决于水动力半径），但对于不同螺吡喃比例的聚合物，其可切换电荷的密度在恒定摩尔浓度和切换速率下是相同的。通过计算不同光照时间和黑暗恢复时间后螺吡喃-PNIPAM聚合物的归一化ζ-电位ζ/Δζ来描述系统的电荷密度。
由于SP和SP(SO
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-
)的酚基pK值相似且环闭合动力学相同（由归一化ζ-电位曲线的衰减率表明），所以可以通过改变两种螺吡喃部分的比例来调节电荷反转时间，而不改变切换和恢复速率。
三、螺吡喃-PNIPAM水凝胶的光控电活性运动
（一）实验设计
以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAAm）为交联剂制备螺吡喃-PNIPAM水凝胶。在直流电场下，利用螺吡喃-PNIPAM聚合物的电荷反转行为，通过光照使水凝胶网络中的质子化部花青异构化为螺吡喃，从而改变水凝胶的电荷状态，实现自主运动。例如，在实验装置中，将水凝胶置于电场中，从底部用特定波长和强度的光照射水凝胶，观察其运动情况。
（二）实验结果
1、运动速度变化
不同SP/SP(SO
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-
)比例的水凝胶在多个光照-黑暗周期中的运动速度变化不同。在前三轮光-暗周期（光照4分钟，黑暗9分钟）中，1:0和1:1 SP/SP(SO
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)水凝胶的运动速度下降，而水凝胶在光照和黑暗期间运动速度均增加，这表明存在光和pH驱动的MCH
+
和MCH
+
(SO
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)去质子化的耦合。
通过测量无光照时水凝胶的运动速度，发现pH驱动的异构化在光照射期间不主导电荷极性和运动行为。例如，在最初的10-15分钟内，1:0和1:1 SP/SP(SO
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)水凝胶速度下降，0:1样品向阳极加速，表明正电荷损失或去质子化。转移到去离子水20分钟后，水凝胶运动速度恒定， 1:1 SP/SP(SO
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-
)样品未反转方向，仍带正电，这与之前报道的螺吡喃部分在水凝胶中的pH驱动异构化不完全的结果一致。
2、运动速度与电荷密度关系
水凝胶的运动速度与ζ-电位平方根成正比（由公式EQ=ρv
2
C
D
A推导），且随光照时间呈指数衰减，这与归一化ζ-电位随光照时间的指数衰减趋势相似。这表明聚合物的凝胶化和水凝胶与溶液之间的离子交换对光调节-电位的动力学影响可忽略不计，水凝胶的流体动力学和电活性运动遵循上述关系。
较高的施加电压和较大直径的水凝胶盘会导致更高的运动速度，但直径较大的水凝胶盘在光照下更容易弯曲，因为螺吡喃水凝胶存在光收缩或膨胀行为。直径为2mm的水凝胶盘能更好地保持几何形状，更适合研究运动速度。
3、电荷恢复与循环性能
水凝胶的电荷在5mMHCl中黑暗放置2小时后可完全恢复，且在三次光照-恢复循环后，运动性能没有下降的迹象。
四、货物的捕获和运送
（一）实验设计
利用带电水凝胶在周围介质中产生局部不均匀电场，通过介电泳（DEP）力吸引高介电常数（高-k）材料，实现货物捕获和运送。设计了简单盘状和三臂状螺吡喃-PNIPAM水凝胶，制备了含BaTiO
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纳米颗粒的PNIPAM水凝胶球作为高-货物，研究水凝胶对货物的捕获和运送能力。例如，在实验中，将高-货物放置在水凝胶的运动路径上或周围，观察水凝胶在电场和光照下对货物的作用。
（二）实验结果
1、盘状水凝胶捕获货物
盘状1:1 SP/SP(SO
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)水凝胶能够捕获放在其直线运动路径上的高-k货物（直径0.75mm的BaTiO
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纳米颗粒嵌入PNIPAM水凝胶球），这是由于DEP力的作用，货物会附着在带电水凝胶上。
当高-k货物不在水凝胶的预期直线运动路径上时，强大的DEP力也能使水凝胶自主搜寻并捡起货物。
然而，如果高-k货物离带电水凝胶较远（如表面-表面距离s>0.3mm），则无法被捕获。
有限元模拟表明，由于带电水凝胶产生的电场与外加电场叠加，在水凝胶与同极性电极之间的区域平均电场强度较低。在近乎中性条件下，反离子浓度低，带电水凝胶表面电场增强，形成指向水凝胶的电场梯度（定义为“捕获区域”）。当高-k颗粒在捕获区域时，颗粒极化增强周围电场，电场梯度产生吸引力DEP力，但盘状水凝胶的捕获区域电场梯度随距离增加急剧减小，无法在远距离产生强大DEP力。
2、三臂水凝胶捕获货物
三臂水凝胶设计（含半球形腿和悬臂臂，臂下有容纳货物的空腔）增强了捕获区域的电场梯度，使其更容易捕获高-k货物。
有限元模拟计算了不同位置（如悬臂臂下P1位置和半球形腿P2位置）的高-k颗粒所受DEP力与距离s和归一化BaTiO
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-电位z的关系。
实验制备了三臂螺吡喃-PNIPAM水凝胶对象，结果显示1:1 SP/SP(SO
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)水凝胶在正常电场下能在臂端P1位置吸引并捕获货物，在P2位置的货物需电场达到10V/mm才能被捕获，这与有限元计算结果相符。
水凝胶在电荷反转后仍能吸引高-k货物，并在返回阳极时将其运送回去。这归因于悬臂臂下较大的捕获区域和增强的电场梯度，这是盘状水凝胶无法实现的。
3、货物释放
