水凝膠纖維軟體機器人可大規模工程化編織

據悉，北京理工大學趙揚等人開發了一種通過使用自潤滑紡絲（SLS）策略連續制造電響應水凝膠纖維的方法。水凝膠纖維內部的聚電解質賦予其快速的電響應特性，與三甘醇（TEG）進行溶劑交換后，水凝膠纖維的最大拉伸強度從0.114 MPa 增加到5.6 MPa，遠遠優于之前報道的基于水凝膠纖維的執行器。

在傳統的微流紡絲過程中，通常要求具備層流層以使固化的凝膠與管壁分離。在此工作中，研究人員并未刻意添加層流層，而是創造性地在水凝膠的單體丙烯酰胺（AAm）中加入了同樣為水溶性的聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸）（PAMPS），就可以紡出表面光滑的水凝膠纖維。研究人員對比不添加PAMPS 組分的紡絲過程時，發現PAAm 水凝膠在PTFE（聚四氟乙烯）管中固化而造成堵塞，可見PAMPS的加入充當了層流層的作用：在水凝膠的固化過程中，部分PAMPS 和水分子被排出纖維中央，在管壁處形成了潤滑層，實現了紡絲過程中的自潤滑。然而，自潤滑層中也包含了部分AAm 單體，且這些單體在后續的紫外照射下并未形成固化，這與其濃度降低有關。因此，研究人員采用兩步固化法，即在纖維從PTFE 管中噴出后繼續進行紫外光輻照，完成了進一步固化，最終得到的水凝膠纖維表面光滑平整，可以在水中溶脹，而且通過簡單調控PTFE 管道的直徑即可直接控制水凝膠纖維的直徑。

PAAm 水凝膠作為一種典型的電活性水凝膠，在具有偏壓的氯化鈉水溶液中表現出明顯的電致形變現象，在25 s 內，其形變角度可高達90°，將偏壓從0.25 V/mm 提高至 1.0 V/mm 時，水凝膠纖維的最大彎曲頻率可以從0.018 Hz 提升至0.05 Hz。為了提高該水凝膠纖維的強度，研究人員提出采用置換的方法，將三甘醇（TEG）與水分子進行了置換，置換后得到的凝膠纖維稱為T-fiber，T-fiber的斷裂強度不僅提高至5.6 MPa，斷裂伸長率也提高至159%，同時實現了增強和增韌。T-fiber 具有良好的柔韌性和較高的機械強度，因此可以被用來制造各種形狀復雜的三維功能結構，例如鉤針花、三結、線管、五角星形和空心籠等。為了能夠更逼真的模擬智能生物體的復雜且多變的運動，研究人員設計了多種樣式的電場，分別有效地模擬了在水環境中蝠鲼的撲動、水母的抓取、海蠕蟲的多自由度運動以及類似人類手指的聰明手勢。終上所述，這項工作不僅為大規模生產以前不可行的水凝膠纖維提供了范例，而且為水凝膠機織智能設備的合理設計和制造提供了解決方案。