《Nat. Mater.》：水凝胶肌肉，驱动超结构广谱变形

一、研究背景

超材料是一类由周期性排列的基本单元组成的人造材料，具有超越天然材料和体积相似材料的奇特性能，如可调节的机械性能、负折射率和负泊松比。与传统的被动和静态行为相比，超材料在受到光、热、水合、磁场、电场和电化学场等外部刺激时会发生几何形变，其刺激响应、自适应和可编程的特性和功能引起了跨学科的广泛兴趣。将可编程致动的超结构转化到微米或纳米尺度，将为开发高密度功能子单元提供巨大机遇，从而推动实验室芯片技术、微型机器人、物理智能机器、低能耗机械计算以及可调光子和声子设备的发展。然而，由于微米和/或纳米尺度的驱动机制通常只适用于特定材料，因此它们的微型化具有挑战性。此外，具有特定初始几何形状的超材料通常会转化为特定的最终构型，只有通过设计其他初始几何形状才能产生不同的最终构型。要实现从相同的初始几何图形转化成可编程的多样化配置，具有很大的挑战性。例如，kirigami 超结构中的某些规定切口只能生成特定的最终模式，而其他配置只能通过重新设计不同类型的切口（即接头与切口的比例）来实现。超结构缺乏广泛的可编程性，极大地限制了其设计多样性、功能和实际应用。

在不同的转换机制中，人造肌肉因其强大的驱动力、快速的时间响应性和高功率密度而成为可重构超材料的一种潜在驱动方法。水凝胶的一些特性，如良好的水环境、易于定制的化学成分和特性以及与生物组织相容的柔软性，使其成为软机器人、植入式设备和生物医学应用中的人造肌肉。要实现可重构的超结构，水凝胶肌肉必须具备大、透明和均匀致动等特性。线性响应可确保均匀驱动超结构，而不会造成结构损坏或失效，同时水凝胶肌肉的高透明度可在转化过程中对超结构进行光学观测。

二、研究背景

在这里，马普智能系统研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）的张明超博士及其合作者提出了一种基于线性响应、透明水凝胶的致动机制，将其作为可重构微超结构的人造肌肉，并实现了宽的模式转换光谱。这种微超结构的可重构性来自不同的可逆几何变换状态，他们可以通过改变驱动温度来控制这些状态。他们的策略为具有可调谐手性和光学各向异性的可重构二维（2D）和三维（3D）微型超结构提供了大量的设计多样性，并且可应用于其他各种可三维打印的超结构和材料。特别是，传统的致动策略限制了超材料构件从特定的初始几何形状转变为单一、预定的最终构型，而实现不同的最终构型需要设计不同的初始几何形状（图 1a）。相比之下，他们的方法通过不断改变像素化构件的局部印刷参数，实现了宽广的模式转换谱，使相同初始几何形状的构件能够重新配置成各种几何形状。此外，他们的方法还允许在像素化构件中加入额外的功能，例如可重构的光学各向异性，从而极大地丰富了设计的多样性，并提高了可重构超结构领域所能实现的功能的复杂性。相关研究工作以“Hydrogel muscles powering reconfigurable micro-metastructures with wide-spectrum programmability”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。祝贺！

三、图文速递

大型、透明和均匀变形的水凝胶对于构建可重构的超结构至关重要。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）已被广泛用于构建各种刺激响应系统。PNIPAM 水凝胶的变形是由聚合物链在温度介导下的亲水-疏水转变所引起的水分解吸和吸收所驱动的（图 2a）。然而，这种转变通常会导致网络链的灾难性坍塌，形成致密的疏水团聚体，作为疏水屏障，阻止水的平稳扩散，减缓其变形过程。因此，可以看到由于其非线性变形而产生的显著形态变化（例如气泡表皮）（图 2b）。

与纯 PNIPAM 水凝胶相比，合成的聚（NIPAM-co-HEMA-co-AM）水凝胶在保持高透明度的同时，变形非常均匀（图 2c、d）。LIHAM 由增强的亲水性聚合物链组成，它们有力地支撑和加强了网络系统，防止了 PNIPAM 聚合物网络在温度介导的亲水性和疏水性转变过程中发生坍塌。因此，这些增强聚合物链会均匀收缩，不会产生光散射团聚体，从而保持了 LIHAM 的透明度。图 2e 比较了聚合物加热到 60 °C 时的透射率（λ = 580 nm），显示 LIHAM 的损失（3.4%）可以忽略不计，而 PNIPAM 的损失则很大（71.2%）。此外，LIHAM 的变形能力可以通过调整单体的浓度（图 2f）和重量比（图 2g）来调节。

作为概念验证，他们能够对印刷结构中的任何图像的灰度信息进行编码和映射，从而根据广泛的可重构图案进行信息加密。如上所述，在 2PP 过程中，通过不断改变扫描功率或扫描速度，可以将具有相同晶格尺寸（即相同的 D 值）的印刷晶格转换成不同的图案。作为演示，他们将一幅 100 × 100 像素2 的《蒙娜丽莎》离散图像（图 5a）中每个像素的灰度值转换为 10,000 个单个尺寸为 10 × 10 µm2 的印刷十字单元的扫描功率映射（图 5b），这些单元相邻互连，没有任何间隙，从而实现了金属晶格的编程。LIHAM 作用超结构的一个典型特征是其在转化后的最终模式中具有广泛的可编程性。如图 5c 所示，不同扫描功率的交叉组合晶格可以在加热和冷却时可逆地转变为不同的拓扑结构。由于扫描功率是连续的，因此相应的印刷单元可以转化为宽光谱图案。

在 LIHAM 的驱动下，印刷金属网格（图 5d）出现了蒙娜丽莎油画的图像，这是这 10,000 个屈曲交叉单元在 50 °C（图 5e）下协作的结果。正如预测的那样，不同位置的变形图案差异很大，而且很容易相互区分。例如，画中头部（图 5f）、胸部（图 5g）和背景（图 5h）区域的细节明显不同。此外，固体度（图 5i）和圆度分布向低值移动并扩大，表明形状转变的程度很高。这些单元格的长宽比分布在变形后也大大变宽（图 5j）。与原始金属晶格图案位于 1 附近（最大值为 1.3）的狭窄分布相比，变形后的纵横比分布变得更宽，分布范围最高达 4.7，证明形成了大量新形状。此外，这些新图案的确定方向从原始晶格的水平方向变为其他不同方向（图 5k），显示了新出现图案的多样性和复杂性。

四、结论与展望

总之，具有亚微米精度的线性响应水凝胶肌肉驱动可重构二维和三维超材料展示了非凡的操纵灵活性，包括对手性转化的全局精确控制和对宽模式变换谱的特定位点操纵。他们的方法所具有的广谱可编程性赋予了超结构的基本构件的多功能转换，这些转换有助于重建具有精细结构的复杂图像，以及用于信息隐藏的与角度相关的光物质相互作用。这些先进的能力为构建复杂而精密的信息提供了前所未有的机会，适用于各种应用，包括信息密码学、微型机器人学、光子学和声子学。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01649-3