成果简介
刺激响应复合水凝胶的形状变形在不同研究领域受到广泛关注。尽管研究了具有不同材料的各种多层结构以实现形状变形，但将可膨胀水凝胶层与不可膨胀层相结合会导致界面粘附和结构完整性问题。本文，加州大学Jinhye Bae等研究人员在《ADV MATER INTERFACES》期刊发表名为“Programmable Dual-Responsive Actuation of Single-Hydrogel-Based Bilayer Actuators by Photothermal and Skin Layer Effects with Graphene Oxides”的论文，研究提出了基于单水凝胶的双层致动器，包括聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）基质和氧化石墨烯（GO）–PNIPAM铰链。
温度升高时，PNIPAM水凝胶由于在表面附近形成致密的微结构而充当钝化层，而GO-PNIPAM水凝胶作为活性层，由于GO的存在而保持结构修饰而保持多孔性。在光照下，GO-PNIPAM铰链由于GO的光热效应而经历选择性加热。因此，所得的双层结构表现出可编程的双响应3D形状变形。此外，这些致动器的折叠动力学可以根据施加的刺激（温度变化或光）进行调整，因为它们分别由不同的机制、表皮层或光热效应驱动。此外，基于铰链的双层结构通过光照演示行走和转向运动。这种方法可以导致基于水凝胶的系统中软机器人、仿生系统和自主软致动器的进步。这项研究显示了基于单水凝胶的系统在智能软机器人、可编程致动器和生物医学设备领域的潜在前景。
图文导读
图1、a） 通过自由基聚合逐层制造基于铰链的双层结构的方法示意图。b）基于铰链的双层结构的粘附机理示意图对应于（a）中制造方法的每个步骤。a-i，b-i）注射GO-PNIPAM预凝胶溶液，a-ii，b-ii）部分固化GO-PNIPAM铰链，a-iii，b-iii）注射PNIPAM预凝胶溶液，a-iv，b-iv）两层完全固化。
图2、基于铰链的双层致动器的自折叠机制示意图，
图3、由于 GO-PNIPAM 铰链和 PNIPAM 基质之间各向异性的脱胶作用，样品在 a) 温度和 b) 光致动作用下发生变形，形成折叠角 θ。测量值（点）和预测值（虚线）θ 是铰链宽度的函数。预测结果与修改后的季莫申科双态模型相对应。误差条表示在所有其他变量保持不变的情况下，每个铰链宽度至少五个样本的第一个标准偏差。插入的图片是不同铰链宽度的折叠样本。插图中的红色虚线用于指示双层结构的轮廓。比例尺为 5 毫米。
图4、a) 受 90° 和 45° 倾斜光照射后折叠的双分子层结构。b) 不同光照方向下折叠双分子层结构的可逆性。铰链宽度为 5 毫米。整个实验过程中的紫外光强度保持为 1.1 W cm-2。红色虚线表示双层结构的轮廓。插入的图像为光照方向示意图。
图5、仿生柔软行走致动器
图6.仿生软转向致动器
小结
综上所述，我们通过制造基于铰链的GO-PNIPAM/PNIPAM双层结构，报道了一种基于单水凝胶的双层致动器，具有自折叠和运动功能。还证明了折叠方向是由铰链的位置决定的。选择性光暴露允许对自折叠进行空间和时间控制，从而可编程运动，例如步行和转向运动。我们预计基于单水凝胶的刺激响应致动器具有可编程的可逆自折叠行为和运动，可以为刺激响应致动器、生物医学设备和仿生系统中的潜在应用提供灵感。
文献：https://doi.org/10.1002/admi.202300169
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
