ACS Nano | 软体机器人中的水凝胶技术：过去、现在和未来

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前言

过去十年，软体机器人领域经历了巨大的发展。与传统机器人不同，传统机器人的大部分研究由机械、电子或软件等工程学科组成，而材料在软体机器人中起着关键作用。在这方面，橡胶和硅酮等典型弹性体由于其弹性和柔顺性而在该领域得到广泛应用。尽管如此，目前的趋势正在转向智能软材料，因为它们可以开发更紧凑、更强大的机器人，具有智能，而无需复杂的设计或控制策略。最终，使用智能材料的目的是在机器人中复制生物的能力，这产生了“生物启发”一词。

水凝胶是最接近生物组织的材料，更重要的是它们可以表现出不同的智能特性，这些特性可以通过添加纳米材料进行调整，因此，它们被假定为软机器人的理想候选者。然而，它们在该领域的应用从未像预期的那样重要，尽管在过去几年中观察到了积极的趋势，这也是由软机器人的发展所推动的。

本文总结了水凝胶在软机器人领域的发展道路、阻碍其在该领域应用的缺点、现状以及需要解决的挑战才能取得有意义的贡献，并突出纳米材料的作用。

本研究由西班牙卡斯蒂利亚-拉曼查大学的团队完成，详细内容于8月5日报道在了《ACS ·纳米材料》杂志。

软体致动器技术概述

软致动器的分类取决于致动方法和运动原理。理论上，任何致动方法都可以产生任何运动，尽管某些组合会更具挑战性。例如，由于流体致动器的几何形状有限，流体致动可能难以实现复杂的折叠。

水凝胶弯曲运动

a. 电场作用下离子水凝胶在水溶液中的弯曲行为。离子的移动导致水凝胶在靠近阴极（蓝色阳离子网络）或靠近阳极（白色阴离子网络）的一侧膨胀，从而导致随后向另一侧弯曲。

b. 阴离子水凝胶（白色）和阳离子水凝胶（蓝色）配对，构建出一个能够在电场作用下在水中移动的步行机器人。

空气条件下阳离子水凝胶的弯曲响应

自由阴离子（氯化物）将水凝胶内部的自由水拖向正极，产生膨胀梯度，使水凝胶棒向负极弯曲。这种行为可用于构建软夹持器：两个平行的水凝胶棒由相反的电场驱动（在这种情况下，由于水凝胶的性质，负极在内部）。电极是附在水凝胶上的简单铝箔片。

水下驱动结构

a. 基于热响应 pNIPAM/LDPE 双层致动器的折叠立方体，在水性介质中。

b. 封装的 pNIPAM 执行器，用于在空气条件下工作。

具有排汗功能的流体弯曲执行器

混合 pNIPAM 和 pAAM 水凝胶用于 3D 打印具有排汗功能的流体弯曲执行器。由于这些水凝胶的化学机械响应，执行器结构中的孔隙会根据温度打开和关闭，这有助于延长系统的使用寿命。纳米颗粒（氧化铁和二氧化硅）用于改善系统的机械完整性。作者团队已经调研了这个想法。用于开发能够在水外操作的电活性水凝胶基执行器的相同起始材料被用于构建具有自修复能力和本体感受的气动执行器。水凝胶不仅形成了执行器的自主自修复结构，而且由于其离子电导率，还可以用作曲率传感器。

用于运动测量的离子水凝胶

a. 基于离子导电水凝胶的电阻应变传感器用于测量关节角度。当手指弯曲时，基于水凝胶的传感器会变形，其电阻会发生变化，从而可以测量弯曲角度。

b. 基于离子水凝胶的透明触觉电容传感器。当传感器表面有接触时，由于变形，接触区的电容会发生变化。

多维打印的水凝胶

a. 快速 3D 打印由水凝胶制成的人手复制品。使用的打印技术是立体光刻。对于如此快速的打印操作（仅需 20 分钟），手的细节非常精确。

b. 使用水凝胶进行 4D 打印的示例。由于原纤维在流过喷嘴后定向，因此水凝胶表现出定向膨胀，这使其能够打印出随时间变化的具有不同智能运动的部件。比例尺：5 毫米。

水凝胶在软机器人领域面临的挑战和机遇

结论

水凝胶在软机器人领域的重大飞跃必须通过提高智能响应以及更重要的机械强度和一致性来实现。目前基于水凝胶的执行器的工作原理是基于智能特性的，但在许多应用中，其不足以实现足够强度的力，因此，正如文中评论的那样，刚度调节是实现具有足够强度的执行器的关键因素。化学配方、主动调节刚度的机制以及纳米材料的添加对基于水凝胶的智能执行器的未来起着关键作用。

另一方面，水凝胶应该克服蒸发问题。根据环境湿度，它们的膨胀程度可能不同（在干燥环境中更干燥，在潮湿环境中膨胀更大），这会导致其行为发生变化。可以在物理层面找到保持膨胀恒定的解决方案，例如涂覆水凝胶，或在材料层面，通过水凝胶的配方或添加防止蒸发的纳米材料。

这些问题的解决必须伴随着软机器人领域的一系列改进，这些改进不仅影响水凝胶。一个例子是更精细的 3D 打印技术，可以生产具有良好清晰度并包含多种材料的复杂形状，或者开发具有高导电性的真正可拉伸电极。

总而言之，从整体来看，水凝胶是未来几年接管软机器人的理想候选材料，因为它们可以展现出大量特性（例如对刺激的反应、自我修复、透明性、生物相容性、仿生性等），这与寻找类似生物体的机器人的生物灵感相一致。它们在该领域的未来是有保障的。

▼参考资料

Antonio López-Díaz, Andrés S. Vázquez, and Ester Vázquez. Hydrogels in Soft Robotics: Past, Present, and Future. ACS Nano Article ASAP DOI: 10.1021/acsnano.3c12200.

*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。

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编译 | 刘帅

来源 | ACS Nano

审核 | 医工学人理事会（罗虎）

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