马普所中国青年学者最新Adv.Sci.：克服亲-疏水性材料结合难题！

基于电沉积水凝胶技术开发出面向复杂环境的多物理场响应自适应软体机器人

德国马克斯普朗克智能系统研究所Metin Sitti教授团队联合北京理工大学、西安交通大学的科研人员在智能微型软体机器人领域取得重要进展，相关研究成果以 “Electrodeposited superhydrophilic-superhydrophobic composites for untethered multi-stimuli-responsive soft millirobots” 为题发表在《 Advanced Science》上，马普所博后郑志强和联合培养博士韩捷为论文的共同第一作者。该成果创新性提出了一种多材料集成策略，通过电沉积/交联技术引入“凝胶根”微纳结构，实现超亲水水凝胶与超疏水弹性体的温和集成，并基于此制造出一系列多物理场响应（湿、光、热、磁等）自适应智能微型机器人，验证了其高效、可控的变形机理，进一步推动了微型机器人的发展。

基于刺激响应材料体系的智能微型软体机器人，具有物理智能、易操控、生物友好和鲁棒性强等特点，已在生物医疗、微电子制造等领域展现出巨大的应用潜力。尽管在驱动技术和材料探索等方面取得了重大进展，微型机器人在复杂环境中的适应性仍然面临很大的挑战。如何让微型机器人在狭小、复杂环境中实现自主环境感知，并通过自主变形来切换运动模式以有效减少人为介入，对大幅提升其灵活性和可用性具有重要意义。然而受限于单一智能材料有限的物理场响应和单一变形，以及不同智能材料难以有效组合和功能性编程，软体机器人智能响应复杂环境变化并在多种外场刺激下实现复杂功能成为亟待解决的问题。

水凝胶电沉积 – 自内而外交联“凝胶根”赋能亲-疏水材料结合

针对超亲水的湿度响应性干凝胶与超疏水的磁场响应性硅基弹性体（PDMS+NdFeB）高效集成的难点，研究人员提出了利用激光诱导石墨烯作为电极的水凝胶电沉积技术，实现了超亲水-超疏水材料在温和环境下的有效结合。在通过翻模转印技术将石墨烯从聚酰亚胺膜转移并渗透入PDMS薄膜表面后，将未交联水凝胶覆盖在石墨烯电极上，并利用真空负压辅助水凝胶在石墨烯多孔网络中的渗透。如图2所示，不同于“自外而内”的电沉积交联技术，渗透入电极网络中的未交联水凝胶在电场诱导下产生“自内而外”的交联，如植物根系般与石墨烯电极形成紧密的互穿网络，从而实现亲-疏水材料结合，赋能双层异质材料多物理场响应特性。

图2 – “自内而外”的电沉积水凝胶技术原理示意图

异质双层功能结构 – 多物理场快速响应支撑物理智能

基于干凝胶对湿度的快速响应、可编程磁化的复杂运动、双层结构应力失配的大变形高输出，以及高自由度的激光图案化切割制造，所提出的微型软体机器人实现了湿度响应的复杂仿生形变，多物理场响应的可编程变形/运动控制，湿度/温度/磁场协同响应的变形状/变步态运动，如图所示。

多场协同操控 – 智能微型机器人界的“变形金刚”

多物理场响应特性赋予了微型软体机器人环境自适应的物理智能特性，使其可以在不同环境中自主变形并实现固-液环境穿越和目标抓取-转移等功能。通过结构变形和磁场控制，微型软体机器人可以在张开-闭合状态中进行形态切换，在直立行走、车轮形滚动、球形滚动中进行步态转换，如图所示。

通过有效利用这种基于电沉积的异质材料集成策略以及多物理场响应特性，团队未来将继续探索环境自适应微型软体机器人的可编程设计、控制与应用，为微机器人仿生运动和复杂功能的实现铺平新的道路，为复杂环境下的自适应功能执行提供使能支撑。

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论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202302409

来源：高分子科学前沿

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