赵扬等：水凝胶纺织软体机器人方面取得进展

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近日，北京理工大学化学与化工学院赵扬特别研究员与合作者在水凝胶纺丝与软体机器人方向取得重要进展。研究成果以“Large-Scale Spinning Approach to Engineering Knittable Hydrogel Fiber for Soft Robots”为题，于10月19日在线发表于ACS Nano，论文链接为https：//pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04382。北京理工大学化学与化工学院本科生段翔宇与于静怡为共同第一作者，北京理工大学化学与化工学院赵扬特别研究员为通讯作者。北京理工大学为第一通讯单位。
　　功能材料的加工成型，是新型刺激响应软体机器人研究的难点之一。与此同时，纤维的加工成型技术已在纺织工业中受到广泛的研究与应用。若将水凝胶纤维加工成为软体机器人，水凝胶纤维的快速刺激响应能力与柔韧性将有效的提升软体机器人性能。然而，目前刺激响应凝胶纤维的发展主要面临两个难点：第一，已有水凝胶纤维的生产工艺的兼容性差，目前已有的微流控纺丝、静电纺丝、熔融纺丝，和墨水直写纺丝等方法均对纤维单体溶液的物理性质有额外要求或需要相对快速的固化过程；第二，水凝胶纤维由于其含水量较高，机械强度差，在低应力下便会发生断裂，无法进行复杂或自动化的加工。因此，现有报导水凝胶编织均仅限于简单结构，且由刺激响应水凝胶编织而成的软体机器人尚未见报导。

图2. 自润滑纺丝方法与水凝胶纤维表征

　　基于此，本文作者提出了一种利用水凝胶前体溶液聚合过程中线性高分子自由移动产生润滑层（自润滑现象）的纺丝方法，并利用三甘醇的干燥与塑化效应将制备的纤维强度有效提升。其中水凝胶前体溶液由线性高分子聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸） (PAMPS)，单体丙烯酰胺(AAm)构成。在聚合过程中，AAm逐渐通过自由基聚合形成三维高分子网络，而PAMPS不参与反应并在前体溶液中随机运动，不可避免的，部分PAMPS会被部分/全部排出到PAAm形成的网络之外，并可相对自由的移动。此层表面的PAMPS与溶剂水分子一起，形成了润滑层，将水凝胶网络与容器分离，并润滑水凝胶网络的移动。基于此，研究人员提出了一种自润滑纺丝工艺（图2）。

图3. 凝胶纤维电响应与拉伸强度表征

　　然而此纤维机械强度依旧不足以支持进一步的加工与应用。因此，作者将水凝胶纤维置于三甘醇中对其进行了溶剂置换，在此过程中，水凝胶纤维中的水分子被移除，带来机械强度提高，同时少量三甘醇进入到凝胶网络中，相较简单干燥的干胶纤维，三甘醇置换所得的凝胶网络得以维持一定柔韧性。

图4. 凝胶纤维编织结构

　　纤维在之后被利用不同的纺织方法制成为钩针花、机编布、堆积圆柱与五角星、辫子，空心笼等形状。

图5. 凝胶纤维软体机器人

　　最后，作者利用COMSOL有限元模拟辅助进行了电极的设计，将电极与编织结构相结合，制造出了一系列水下仿生软体机器人。


附个人简介：
　　赵扬，北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。以第一或通讯作者身份发表SCI论文38篇，其中包括JACS、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Energy Environ.Sci.、ACS Nano等，累计共发表SCI论文90余篇，ESI高被引论文4篇，文章引用次数达8000余次，授权专利4项，其中1项成果已经进行产业化。1篇论文荣获2012年度“中国百篇最具影响国际学术论文”。主持多项国家自然科学基金及北京市自然科学基金项目，同时参与多项国家重大基础研究发展（973）计划课题、重点研发计划项目、军口预研项目等。入选北京市自然科学基金优秀青年人才。
　　段翔宇：化学与化工学院2015级本科生。2019-2020年，进入曲良体教授课题组并在赵扬研究员指导下开展本课题研究；2017-2019年，进入化学与化工学院王博教授课题组从事MOF材料研究并作为第三作者在Angew.Chem.Int.Ed.发表论文1篇；2015-2017年，作为大创基地分管理化分支的第一、二届生态坊坊主进行了一定的科研，取得了3个市级竞赛奖项。
　　于静怡：化学与化工学院2016级本科生。2017年，进入化学与化工学院曲良体教授课题组开展锂硫电池阴极材料相关课题，并作为第二作者在Carbon发表论文1篇；2019年开始在赵扬研究员指导下开展本课题研究；2017-2018年，作为大创基地分管理化分支的第三届生态坊坊主完成了一些大学生创新课题，取得了1个市级竞赛奖项，1个国家级竞赛奖项。