《AFM》天津大学：强拉伸液态金属水凝胶用于仿生自传感软致动器

第一作者：Shaoshuai Ma

通讯作者：Ling Wang，Xinhua Xu

通讯单位：天津大学

DOI: 10.1002/adfm.202309899

背景介绍

生物体可以主动感知和管理它们的运动，以响应不断变化的环境，这取决于自感系统提供的反馈。然而，在人工系统中模拟这种智能反应是一个长期存在的挑战，需要在单个软机器人系统中集成刺激响应的驱动和感觉。人工刚性机器人通常通过将传感器、辅助摄像头和执行器与计算系统集成来实现自感驱动，而复杂的多电子集成限制了机器人身体的尺寸小型化和复杂的运动自适应性。软机器人由水凝胶、液晶弹性体和形状记忆聚合物等刺激响应性软材料组成，由于其在机械灵活性、人机交互和优异的生物相容性方面的优势，这些材料可以适应复杂和动态的环境，优于传统的刚性机器人。尽管软致动器具有良好的致动性能，但在软致动器中稳健集成自感测功能仍然是一个巨大的挑战。应该注意的是，目前的大多数致动策略，如不对称膨胀和气动充气致动，通常使用先进的软材料，这些材料只提供致动功能，无法感知自身的运动。同样，根据其特定的工作原理，这些致动器和传感组件都是单一功能的，仍然无法同时实现感知和运动。为了赋予软致动器自传感功能，最近通过物理地结合不同的传感组件来设计和制造体感软致动器。例如，通过在纸基致动器上物理沉积石墨和碳纳米管导电层来监测薄膜的弯曲角度，展示了集成了传感功能的软致动器。通过在弹性体基质中3D打印离子凝胶来制造软致动器，以分别定义传感和致动所需的传感器和气动网络。更具体地说，致动器可以通过嵌入的弯曲、膨胀和接触传感器提供本体感觉和触觉反馈。此外，通过用弹性体层和MXene/碳纳米管薄护套顺序包裹碳纳米管纤维芯，制造了与动态适应集成的纤维致动器，其中MXene和碳纳米管层充当传感材料，弹性体层提供致动功能。然而，这些致动器的制造通常需要复杂的集成程序，包括多个成型和层压步骤，这可能会导致不同部件界面处的分层和模量失配。此外，感知和致动能力也是预定义的，在处理复杂和动态环境时限制变形。

开发一种多功能单片材料系统是非常有益的，该系统包括分子水平而非物理水平上的化学集成感觉和致动组件。最重要的是，具有分子模块化设计的软材料可以进行化学定制，以获得最佳的机械和电气性能，并与其他组件进一步结合，以实现不同的功能。目前，化学集成的自感软致动器主要是通过将导电填料交联到水凝胶致动器中来制造的，赋予它们导电性，通过监测电阻的变化来感测实时运动。例如，通过制造导电聚吡咯或聚苯胺和聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）的互穿双聚合物网络，已经开发出均匀的导电水凝胶，该网络将致动和感觉集成到具有“二合一”功能的单一材料系统中。它实现了虚拟现实体验和运动监测的多模式传感。然而，由于嵌入的聚苯胺或聚吡咯聚合物的低导电性和均匀的纳米结构，这些自感知水凝胶致动器表现出不充分的应变敏感性和形状可编程能力。此外，为了提高自感软致动器的形状可编程性，通过将导电水凝胶活性层与热塑性聚氨酯被动层物理结合，开发了双层水凝胶致动器。然而，在这些物理连接的双层致动器的材料界面处，诸如分层和应力集中等具有挑战性的问题通常是不可避免的。因此，通过在单片材料系统中构建高导电水凝胶致动器，开发一种具有复杂形状可编程性和优异应变灵敏度的自感软致动器是非常可取的。

Ga基室温液态金属（LM）是一种新兴的金属合金，如EGaIn（75%镓和25%铟），由于其令人印象深刻的优异形状变形性、显著的流动性和突出的高导电性，在软机器人和传感器中引起了大量的研究关注。然而，基于LM的软机器人的形状转换和自适应运动大多由电场或化学刺激驱动，通常在酸性水环境中，以防止表面氧化，这大大限制了其功能和潜在的应用场景。因此，基于形状变形聚合物和导电LMs的软致动器正成为一个活跃的研究领域。将LM与聚合物基质结合的最直接方法之一是将大块LM与聚合物前体机械混合，这通常会导致微米大小的不规则液滴和LM微滴的不均匀分布。最广泛采用的策略是首先将大块LM超声处理成纳米级液滴，然后将其整合到聚合物基体中。例如，通过在纤维素的水悬浮液中对本体LM进行超声处理，制备了一种独特的纤维素包封的LM胶体油墨。所得的LM纳米液滴溶液可以通过蒸发烧结直接应用于制备自立式LM基软致动器，或者沉积在液晶网络基板上以实现形状可编程致动。最近，通过将大块LM直接引入中空聚合物纤维的芯中，已经开发出同轴纤维软致动器，尽管它们表现出不足的致动性能和较低的形状可编程性。与其他基于聚合物的软致动器不同，水凝胶致动器显示出许多有利的特征，如组织状柔软性和优越的生物相容性。需要指出的是，目前的研究主要集中在导电LM水凝胶的开发上，由于LM在水凝胶基质中的兼容性较差，关于基于LM的水凝胶致动器的报道相对较少。在用于自感软致动器的基于LM的水凝胶中同时实现高电导率和形状可编程致动仍然是一项具有挑战性和艰巨的任务。

本文亮点

1. 本工作通过氨基官能化MXene包封的液态金属纳米液滴的原位共聚设计和制备了导电水凝胶(LM@A-MXene)以及具有可控活性纳米凝胶作为纳米交联剂的聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶。

2. 所得到的水凝胶呈现出紧凑的导电网络和高度多孔的微观结构，产生了高导电性、优异的应变敏感性、宽拉伸性、高稳定性和快速响应速度的强大集成。

3. 由LM@A-MXene，赋予水凝胶形状可编程驱动、光驱动远程控制和自感知功能。

图文解析

图1. 合成与表征LM@A-MXene集成PNIPAm水凝胶。a） 活性纳米凝胶交联剂的合成示意图。b） 可拉伸导电水凝胶的示意图制作。c） 可拉伸导电水凝胶（c、Ti、Ga和In元素）的SEM和元素图谱图像。d） Bis-PNIPAm、ANG-PNIPAm的应变-应力曲线，LM@MXenePNIPAm，以及LM@A-MXenePNIPAm水凝胶。e） 水凝胶的流变性能。f） PNIPAm、A-MXene PNIPAm和LM PNIPAm的电导率LM@A-MXenePNIPAm水凝胶。

图2. 的感应性能LM@A-MXene集成PNIPAm水凝胶。a） 自感水凝胶致动器的机制说明：导电水凝胶的电阻率随外部应力或热触发体积变化而变化。b） 拉伸时导电水凝胶的相对电阻变化。c） 导电水凝胶在各种动态应变载荷下的相对电阻变化。d） 导电水凝胶相对于各种弯曲角度的相对电阻变化。导电水凝胶对e）手指弯曲的电阻变化。f） 不同的手势。g） 示意图显示了用于签名感的水凝胶垫的设计。h、 i）写入A和B期间的电阻变化。

图3. 基于LM@A-MXene集成PNIPAM水凝胶。a） 梯度各向异性水凝胶的制备过程。b） 的结构图LM@A-MXenePNIPAm各向异性水凝胶。c） 横截面、上表面和下表面的SEM图像LM@A-MXenePNIPAm各向异性水凝胶。d） 照片显示了自感水凝胶致动器的形状变形以及响应808 nm近红外光（0.9 W cm−2）的电阻动态变化，以及e）相应的热成像照片。f） 近红外光的照射时间和弯曲角度与水凝胶致动器相应的相对电阻变化（0.9 W cm−2）之间的关系。g） 不同强度（0.3、0.6、0.9和1.2 W cm−2）的近红外光影响下水凝胶致动器的温度变化。h） 在不同功率下受到近红外光照射的自感水凝胶致动器的最大弯曲角和相对电阻变化。i） 用于感测物体表面纹理的自感水凝胶致动器的示意图，以及j）显示实时电阻变化。

图4. 可编程光驱动自感知水凝胶致动器。a） 具有不同梯度分布的光驱动6形、U形、S形和Ω形自感知致动器LM@A-MXene.b）花形自感知水凝胶致动器的NIR光驱动可逆打开和关闭。c） 近红外光控软夹持器感应物体大小和d）实时电阻变化的示意图。e） 由近红外光控制的自感软夹具，能够执行各种任务，如抓取、提升和释放物体。

来源：柔性传感及器件