研究背景

軟致動器可以將各種外部刺激轉(zhuǎn)化為機械輸出，在仿生軟體機器人、人工肌肉、智能可穿戴電子設備和生物醫(yī)學等領域具有廣闊的應用前景。受植物運動的啟發(fā)，水凝膠致動器越來越受到關注。水凝膠是通過物理或化學交聯(lián)形成的三維聚合物網(wǎng)絡，其結構類似于生物基團。然而，由于其三維網(wǎng)絡結構的脆性，盡管纖維素納米纖維（CNF）水凝膠的機械性能得到了增強，但水凝膠致動器的各向同性結構只能在均勻刺激下實現(xiàn)簡單的均勻膨脹/收縮。因此，同時實現(xiàn)具有高機械強度、快速響應、可控變形和透明的熱響應水凝膠執(zhí)行器仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

文章概述

南京林業(yè)大學材料科學與工程學院韓景泉教授團隊通過一鍋法將各向同性熱響應TEMPO氧化纖維素納米纖維/聚（N-異丙基丙烯酰胺）（TOCN/PNIPAM）水凝膠和各向異性脫木質(zhì)素木材（DW）相結合，開發(fā)了一種一體化梯度木材水凝膠致動器。TOCN增強了PNIPAM水凝膠的機械性能以及水凝膠和DW之間的界面結合。DW進一步將水凝膠的機械強度提高至1.8 MPa。由于簡單嵌入了天然各向異性木材，熱響應木材水凝膠執(zhí)行器表現(xiàn)出快速的響應速度（200° s?1）， 透明水凝膠能夠在熱刺激下進行信息加密，以及使用乙醇寫入進行快速且可重復的信息記錄。這種可編程水凝膠為未來智能仿生執(zhí)行器、智能可穿戴設備和軟機器人的材料提供了一個有前途的選擇。

圖文導讀

1.木質(zhì)水凝膠驅(qū)動器的制備工藝及機理

以輕木為原料，經(jīng)脫木素得到DW，其保留各向異性結構且有更多活性基團和空隙。將DW浸入含TOCNs和PNIPAM前驅(qū)體的溶液，再經(jīng)聚合得到透明的梯度木水凝膠致動器。溫度高于低臨界溶液溫度（LCST）時，PNIPAM水凝膠疏水基團主導使水排出，致動器變形，其與DW的強界面結合保證結構完整性，相比傳統(tǒng)雙層結構致動器，該致動器變形可控。

圖1 (a) 梯度木材水凝膠的合成過程和機理。(b) TOCN/PNIPAM水凝膠溫度響應機理圖。(c) DW、PNIPAM和TOCN之間的相互作用。(d) 水凝膠致動器的熱響應變形過程。

2.梯度木材水凝膠的微形貌分析

SEM顯示天然木材縱向有中空纖維，脫木素后細胞壁變薄、纖維卷曲、微通道保留，且DW橫截面有大孔。FTIR和XRD表明脫木素成功，木材為纖維素Ⅰ結構。水凝膠呈蜂窩狀，TOCNs使水凝膠孔結構更均勻，DW與水凝膠界面相容性好，F(xiàn)TIR結果證實了 TOCNs、PNIPAM 和 DW 間的氫鍵相互作用。

圖2 NW和DW的(a)縱向截面和(b)截面的SEM圖像。(c) FTIR光譜和 (d) NW和DW的XRD。(e) NW和DW中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量。(f) 純PNIPAM、(g) TOCN/PNIPAM 水凝膠、(h)橫截面和(i)梯度木材水凝膠表面的SEM圖像。(j) PNIPAM、TOCN、TOCN/PNIPAM 和梯度木材水凝膠的FTIR光譜。

3.梯度木材水凝膠的溫度響應和力學性能

TOCNs提高了PNIPAM水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率，DW進一步增強了梯度木材水凝膠的機械強度。在溫度刺激下，TOCN/PNIPAM水凝膠驅(qū)動致動器變形，不同厚度DW的致動器彎曲速度和強度不同，綜合考慮彎曲速度和拉伸強度，選擇的DW厚度為100 μm。與之前報道的其他基于水凝膠的致動器相比，所制備的水凝膠致動器表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，特別是彎曲速度（高達200° s?1）和高機械強度（1.8 MPa）。

圖3 (a-c) PNIPAM、TOCN/PNIPAM和梯度木材水凝膠的拉伸性能和模量（圖3c中的插圖展示了梯度木材水凝膠的柔韌性和高機械強度）。(d) 溫度驅(qū)動變形示意圖。不同木材厚度的水凝膠致動器的曲線（e）在50°C下彎曲，（f）在20°C下恢復。(g) 彎曲恢復變形的照片。(h) 不同木材厚度的水凝膠致動器的彎曲速度和拉伸強度。(i) 可逆彎曲-恢復10個周期。(j) 不同溫度下彎曲角度的變化。(k) 不同溫度下的平衡彎曲角。(l)與最近報道的其他類似水凝膠執(zhí)行器的綜合性能比較。

4.水凝膠致動器的可控和可編程變形

由于木材天然的各向異性結構，平行于木材紋理方向的水凝膠致動器的彈性模量顯著高于垂直于木材紋理方向的彈性模量。DW沿紋理方向的高模量限制了水凝膠的收縮，導致水凝膠致動器沿木材紋理彎曲。通過不同切割角度切割致動器并浸入熱水，可實現(xiàn)多種仿生變形，如模擬章魚觸手、藤本植物卷須、捕蠅草等，且在離子溶液中也有類似變形能力。

圖4 (a) 在50°C溫水中基于不同切割角度的可編程變形。基于不同切割角度的溫度誘導仿生致動行為：(b) 正常情況下，仿生章魚爪處于伸直狀態(tài)；當受到刺激時，章魚的爪子會彎曲逃跑，并根據(jù)不同的切割角度達到不同的運動狀態(tài)。(c) 自適應壓接執(zhí)行器模仿植物莖的滾動行為。(d) 具有捕食能力的仿生捕蠅草。（比例尺：1厘米）。

5.水凝膠執(zhí)行器的仿生行為、信息加密和記錄

基于可逆溫度響應彎曲能力和高機械強度，制備了模擬鳥捕食的水凝膠抓手和花朵狀水凝膠致動器，實現(xiàn)了溫度控制的抓取釋放和開合動作。基于水凝膠的溫敏透明-不透明轉(zhuǎn)換和乙醇誘導的透明度變化，當溫度高于TOCN/PNIPAM 的LCST時，整個水凝膠變得完全不透明，導致信息加密。當溫度降至 LCST 以下時，該模式再次出現(xiàn)。這種由溫度引起的信息加密和解密是可逆且可重復的。

圖 5 (a) 受鳥類捕食啟發(fā)的兩爪和四爪溫控水凝膠機械手，用于在50℃的水中捕獲目標物體并在10℃的水中釋放。(b) 水凝膠花在50°C水中閉合，在10°C水中重新開放。(c) 溫度響應加密和解密行為的示意圖和照片。(d) 使用乙醇書寫記錄信息的圖表和照片。（比例尺：1厘米）。

結論

本研究通過一鍋法制備了由各向同性熱響應TOCN/PNIPAM水凝膠和各向異性DW組成的一體化梯度木材水凝膠。DW的特性有利于水凝膠浸入和結合，提供高機械強度和可編程性，TOCNs增強水凝膠性能并改善界面兼容性。該致動器響應速度快、變形可控，可用于仿生應用和信息處理，在軟機器人和仿生人工肌肉等領域有潛在應用價值。

創(chuàng)新點

該研究通過一鍋法制備了由各向同性熱響應TOCN/PNIPAM水凝膠和各向異性脫木素木材（DW）組成的梯度木水凝膠致動器，其結合了木材的各向異性和納米纖維素增強的優(yōu)勢，實現(xiàn)了高機械強度、快速熱響應、可控可編程變形以及信息加密和記錄等多功能特性。

啟發(fā)

通過將各向同性熱響應水凝膠與各向異性木材相結合的創(chuàng)新策略，制備出具有高機械強度、快速響應、可控變形及信息處理能力的多功能水凝膠致動器。為智能材料在軟機器人、仿生學及信息安全等領域的應用開拓新思路。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158903

來源：Go Cellulose