蚯蚓定向蠕动爬行的各向异性水凝胶致动器

bupashan

蚯蚓通过自己身体的连续扩张和收缩可以在狭窄的空间中蠕动。人类为了模仿这种有趣的运动机制，通过使用硬的电子设备研制各种蠕动爬行机器人。尽管，软物质更适合用于实现这种仿生运动，但是在实际应用中仍有许多潜在的问题。

水凝胶作为软物质材料之一，具备良好的生物相容性，同时可以响应外部信号而发生可逆变形。在各类响应性水凝胶中，光响应性水凝胶最有希望实现蠕动爬行，从而达到可被远程操纵的目的。尽管已有大量的水凝胶致动器被报道，但它们不能同时满足响应快速、可重复以及各向异性形变的要求，因而无法应用于蠕动爬行。并且，它们的致动常常与水的吸收和释放相关，而这种响应是缓慢的、尺度小的、不耐久的。

近期，日本东京大学工程学院化学与生物技术系的Takuzo Aida教授课题组报道了一种新型光响应水凝胶致动器。在不吸收和释放水（即等容）的情况下，即可通过嵌入的“各向异性静电”光热调制器产生与外环境（即玻璃毛细管）顺序渐进的摩擦，成功实现了类似蚯蚓的蠕动爬行运动，并可以逆转其方向。

研究者在之前所研究的含有磁性钛酸盐（IV）纳米片（TiNSs）各向异性水凝胶的基础上，结合光热转换的金纳米粒子（AuNPs），以聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPA，LCST= 32℃）为基体制备了圆柱形水凝胶。其中，TiNSs赋予了水凝胶的各向异性，是蠕动爬行的关键因素。当用可见光激光对水凝胶进行逐点光照射时，它以等容的方式以垂直于TiNSs平面的取向迅速膨胀（<0.5 s，形变为原始长度的80％）。

当照射点沿着圆柱凝胶轴移动时，水凝胶由于快速和规律的伸长/收缩，实现了蠕动爬行并且朝向激光扫描相反的方向发生移动。而当切换照射的扫描方向时，水凝胶则发生反向爬行。

当使用金纳米棒（AuNRs）代替金纳米粒子（AuNPs）时，水凝胶对近红外光变得十分敏感，在短时间内亦可发生温度和形状变化。因为近红外光可以深入渗透到生物组织中而不伤害组织，所以该类水凝胶有望应用于在远程操作的医疗设备上。同时，研究者也表明，制备可植入、耐干燥的水凝胶制动器是他们今后的研究目标。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201810052