自然界的動(dòng)植物出于捕食、避險(xiǎn)等生命活動(dòng)的需求，千萬(wàn)年來(lái)逐漸演變出豐富多彩的形態(tài)以及變化多端的形態(tài)轉(zhuǎn)變。形變高分子水凝膠由于能在外界刺激下將外界能量轉(zhuǎn)化為自身的機(jī)械能并產(chǎn)生大尺度的形態(tài)變化，因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。作為一種具有軟、濕特性的新興智能材料，由于其具有良好的生物相容性以及豐富的分子設(shè)計(jì)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)仿生形變的理想材料。盡管經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，形變高分子水凝膠的變形方式已經(jīng)從單一的體積轉(zhuǎn)變演變?yōu)楦鼜?fù)雜的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及螺旋等形態(tài)轉(zhuǎn)變，但是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)可編程、程序化的形變即讓水凝膠能根據(jù)應(yīng)用需求“隨心而動(dòng)”，依然是研究熱點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員近年來(lái)致力于仿生形變高分子水凝膠的研究 （Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670；Chem. Sci. 2016, 7, 6715；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243；Research, 2019, 2384347；Adv. Funct. Mater., 2019, 1905514；Small 2020, 16, 2005461; Adv. Intell. Syst. 2020, 2000208; Adv. Mater., 2020, 32, 2004290；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59,19237；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60,3640等）。近期，該團(tuán)隊(duì)受邀在Chemical Science發(fā)表題為“Recent progress in shape deformation of polymeric hydrogels from memory to actuation”的綜述（Chemical Science, 2021, DOI: DOI:10.1039/D0SC07106D），對(duì)該可編程仿生形變高分子水凝膠的發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)與展望。

該綜述根據(jù)高分子凝膠的形變特點(diǎn)將其分為形狀記憶水凝膠以及水凝膠驅(qū)動(dòng)器。前者可以在外力作用下變形并通過(guò)超分子作用、可逆動(dòng)態(tài)鍵等方式記憶臨時(shí)形狀，隨后在外界的刺激下實(shí)現(xiàn)從臨時(shí)形狀到初始形狀的變形過(guò)程；而水凝膠驅(qū)動(dòng)器則可在外界的刺激下，利用自身分子結(jié)構(gòu)的刺激響應(yīng)性通過(guò)其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各向異性的收縮實(shí)現(xiàn)變形。由于形狀記憶水凝膠可以記憶多種臨時(shí)形狀，因此當(dāng)使用外力賦予其編程化的形狀后，形狀記憶水凝膠便可通過(guò)形狀回復(fù)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)水凝膠程序化變形。除此之外，還可通過(guò)制備具有多重刺激響應(yīng)行為的形狀記憶水凝膠，賦予水凝膠多個(gè)編程化的臨時(shí)形狀，實(shí)現(xiàn)水凝膠多個(gè)形狀間的程序化變形。而實(shí)現(xiàn)水凝膠驅(qū)動(dòng)器程序化變形的方式主要通過(guò)水凝膠制備的過(guò)程編程各向異性以及在水凝膠制備完成后編程各向異性結(jié)構(gòu)。目前主要采用逐步聚合和光掩模板的方式在水凝膠制備的過(guò)程中對(duì)其各向異性結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，而采用模塊化組裝以及離子印染的方法在水凝膠制備后通過(guò)拼接組裝對(duì)其各向異性結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程。近期，科研人員還將形狀記憶水凝膠優(yōu)異的可編程性以及水凝膠驅(qū)動(dòng)器優(yōu)異的自變形能力相結(jié)合制備得到同時(shí)具有形狀記憶與驅(qū)動(dòng)功能的智能變形，利用形狀記憶賦予水凝膠多個(gè)臨時(shí)的各向異性結(jié)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)水凝膠可重復(fù)編程、程序化變形。

得益于可編程、程序化的變形能力，智能變形凝膠不再局限于智能抓手、閥門系統(tǒng)以及人工肌肉等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，而可進(jìn)一步被應(yīng)用于軟體機(jī)器人、仿生系統(tǒng)以及信息存儲(chǔ)與加密等領(lǐng)域。例如，基于可程序化的變形，智能變形凝膠可以將自身變形行為轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)行為，從而制備具有運(yùn)動(dòng)功能的軟體機(jī)器人；基于水凝膠良好的生物相容性以及軟、濕特性，智能變形凝膠可通過(guò)變形轉(zhuǎn)變自身表面結(jié)構(gòu)從而制備仿生章魚抓手等一系列仿生系統(tǒng)；最后，基于水凝膠良好的分子可設(shè)計(jì)性，智能變形凝膠還可與熒光凝膠相結(jié)合，通過(guò)變形與熒光功能的協(xié)同在水凝膠體系中實(shí)現(xiàn)信息的多重加密與解密。

盡管在過(guò)去的十多年中，仿生形變高分子水凝膠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能展示以及應(yīng)用等多方向都獲得了快速的發(fā)展，但它依然是一個(gè)充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域?；谛巫兏叻肿铀z的研究，未來(lái)其需要在保持如今優(yōu)異變形能力前提下大幅增強(qiáng)其自身的機(jī)械性能以適應(yīng)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用；需要探索能高效地將變形行為轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)行為的結(jié)構(gòu)；最后需要構(gòu)建變形過(guò)程的反饋系統(tǒng)，使得其變形過(guò)程能更好地被監(jiān)控并反饋進(jìn)一步的變形行為。

圖丨仿生形變高分子水凝膠的分類及其最新應(yīng)用

這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51873223、52073295、中德中心交流項(xiàng)目M-0424）、中科院青促會(huì)（2017337、2019297）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、王寬誠(chéng)教育基金會(huì)（GJTD-2019-13）和中國(guó)博士后科學(xué)基金（2020M671828）等項(xiàng)目的支持。